摘要：隨著USB接口協定的發展和完善，越來越多智慧產品選用USB Type-C接口，其支持的影音資料傳輸內容更多樣，傳輸速率也更快，當然信號傳輸也更加容易受到外界突波的干擾，因此利用TVS針對突波防護的方案也要變得更加嚴謹，但是在方案選型時如果不考慮TVS的工作電壓等參數，一味地追求選擇更低鉗位元電壓的TVS產品，就可能會造成TVS出現Latch-up風險，導致Type-C接口的正常通信受影響，嚴重的話就會因為EOS（電氣過應力）損壞電路。
面對電子產品接口中複雜的信號線以及電源線，如何做到正確而有效的瞬態突波防護，其中在接口處添加TVS應是最有效的防護方案。
一、Type-C介紹
USB（Universal Serial BUS）作為通用串行接口，具有傳送速率快，連接靈活，使用方便，支援熱插拔，獨立供電等優點，被廣泛的應用於各類電子產品中。USB接口定義也從最初的USB 1.0版本，更新到最新的USB 4版本。其中，如今最炙手可熱的接口協定當屬USB 3.1協定。
USB 3.1協議並不像USB 2.0只規定了Type A和Type B接口類別型定義，USB 3.1協定包括三種接口標準：Type-A（Standard-A）、Type-B（Micro-B）以及Type-C，和兩種技術標準：USB 3.1 Gen1，USB 3.1 Gen2。其中Type-C接口被廣泛應用到手機，平板，筆記型電腦等電子產品中。
| USB 官方版本名 | 原名 | 理論最大傳輸速率 | 官方市場代號 | 推出時間 | |
| USB 2.0 | USB1.0 | 1.5Mbps | Low-Speed | 1996年1月 | |
| USB 2.0 | USB1.1 | 12Mbps | Full-Speed | 1998年9月 | |
| USB 2.0 | USB2.0 | 480Mbps | High-Speed | 2000年4月 | |
| USB 3.2 | USB3.1 Gen 1 | 5Gbps |
Super-Speed USB | 2008年11月 | |
| USB 3.2 | USB3.1 Gen 2 | 10Gbps | Super-Speed USB 10Gbps | 2013年6月 | |
| USB 3.2 |
USB3.2 Gen 2x2 |
20Gbps | Super-Speed USB 20Gbps | 2017年9月 | |
| USB 4 |
USB4 Gen 3x2 |
40Gbps | USB4 40Gbps | 2019年9月 | |
USB 3.2 Gen2x2協定Type-C界面，最高可達20Gbps的信號傳輸速率，並且支援PD （Power Delivery）快充協定，最高支援20V/5A，即100W的傳輸功率。由於Type-C不僅提升了資料傳輸的速率，也加大了電源傳輸的功率，所以在實際應用中，為了保證資料傳輸不被突波干擾，電源傳輸的穩定，在接口處添加TVS防護顯得尤為重要。
圖1. USB Type-C Receptacle Pins
二、 什麼是Latch-up ？
Latch-up為閂鎖效應，是CMOS製作工藝中產生的寄生效應，閂鎖效應由NMOS的源極、P-substrate、N-well、PMOS的源極構成的P-N-P-N結構產生，當其中一個BJT發生正偏時，就可能構成正回饋形成閂鎖效應。
圖3. Latch-up等效電路
在SCR電路P-N-P-N結構沒有被觸發時，兩個BJT處於截止狀態，集電極電流是由集電極到基極反向漏電流構成，電流增益非常小，此時Latch-up不會產生。當外部干擾導致其中一個BJT的集電極電流突然增加到一定值時，會回饋至另一個BJT，從而使兩個BJT因誤觸發而導通，VDD至GND（VSS）間形成低阻抗通路。之後就算外界干擾消失，由於兩個三極管之間形成正回饋，VDD至GND（VSS）間持續出現大電流，Latch-up由此而產生。
在IC晶片實際應用中，容易產生Latch-up的原因主要有以下幾種：
1. 晶片上電工作時，VDD電壓變化太大有可能導致Latch-up產生。
2. ESD，Surge等瞬態突波事件發生時，電路中產生大電流可能引起Latch-up。
3. 當電路的負載過大時，導致電源與GND電壓變化，也有可能打開SCR的一個BJT而產生Latch-up。
4. 若在 3.3V 以上工作電壓的訊號線或電源採用回拉 (snap-back) 電壓低於 3.3V 的保護器件，當上述瞬態突波事件發生時，可能因 latch-up 導致嚴重的系統燒毀。
市場中TVS產品設計類型多種多樣，晶焱科技的TVS產品主要採用三類設計：傳統二極體設計；N-P-N的BJT設計；SCR電路設計。其三者特性曲線如下：
圖4. TVS 特性曲線
在Type-C接口的防護電路中，如果TVS選型不恰當，使用SCR電路設計的TVS應用在VBUS端或者CC Pin線路時，更容易發生Latch-up風險，當然信號線同樣也會發生此風險。主要原因是ESD、Surge等瞬態突波耦合到接口線路時，外部突波電壓高於TVS的擊穿電壓時，TVS就會導通開啟。若因為選型不當，TVS開啟後Snap-back電壓（Vsb or Vhold），低於電源正常工作電壓Vbus或者Data信號電壓的最大值VMAX，即使外部突波干擾消失，TVS也會一直保持導通狀態，此時電流大量增加，電源電壓將被拉低或者正常信號傳輸將被干擾，嚴重時TVS燒毀短路，造成器件或者整個電路被EOS損壞。
Type-C接口在使用時常常是帶電拔插，極其容易出現插拔浪湧或者ESD cable discharge突波干擾，為避免TVS在Type-C接口的實際應用中出現Latch-up風險，我們在TVS選型時，不僅僅要保證TVS的工作電壓VRWM高於電路正常工作電壓或者信號電壓的最大值，同時我們更要考慮TVS導通後，出現snap-back特性的TVS產品，回拉後的最低電壓Vsb or Vhold，一定要高於電路正常工作電壓的最大值。
三、Type-C接口的TVS方案推薦
由於完整的Type-C接口Power和Data lines加起來的數量比較多，晶焱科技推薦TVS保護方案時按信號分三部分：VBUS power 保護；TX、RX data lines保護；D+、D-、CC、SBU data line保護。
1. 由於Type-C支援PD快充協定，常用的VBUS傳輸電壓有5V和12V，最高可支援20V電壓傳輸，所以在針對VBUS防護時，我們需要選擇合適工作電壓的TVS防護方案。在選擇鉗位元電壓更低的TVS同時，也要保證不會發生Latch-up，下表是晶焱科技推薦應用在Type-C VBUS power line的ESD and EOS保護方案：
| Part No |
Application |
VRWM (V) | VCL-ESD(V) @ 8kV | VCL-Surge (V) @ 5A | IPP(A) | Package |
| AZ3105-01F | Only for 5V VBUS | 5 | 6 | 6.4 | 80 | DFN1610P2E |
| AZ4507-01F | Only for 5V VBUS | 7 | 10 | 8.5 | 100 | DFN1610P2E |
| AZ4510-01F
| For VBUS ≤ 10V | 10 | 13 | 21 | 80 | DFN1610P2E |
| AZ4512-01F | For VBUS ≤ 12V | 12 | 15 | 14.5 | 38 | DFN1610P2E |
| AZ4520-01F | For VBUS ≤ 20V | 20 | 25.5 | 25.5 | 24 | DFN1610P2E |
| AZ4307-01F | For VBUS ≤ 7V | 7 | 9.5 | 8.3 | 180 | DFN2020P2E |
| AZ4310-01F | For VBUS ≤ 10V | 10 | 13 | 11.7 | 150 | DFN2020P2E |
| AZ4712-01F | For VBUS ≤ 12V | 12 | 15 | 14.8 | 225 |
DFN2020P2E |
| AZ4715-01F | For VBUS ≤ 15V | 15 | 18 | 17 | 170 | DFN2020P3E |
| AZ4718-01F | For VBUS ≤ 18V | 18 | 22 | 22 | 138 | DFN2020P3E |
| AZ4724-01F |
For VBUS ≤ 20V |
24 | 28 | 28 | 125 | DFN2020P3E |
表2. TVS solution for Type-C VBUS
2. TX/RX作為高速資料傳輸線路，我們選擇TVS保護時，要選擇低電容產品，避免出現容值過高而影響Type-C接口的信號完整性，以下是晶焱科技推薦應用在高速信號TX/RX線路的保護方案：
| Part No |
Channel # |
VRWM (V) | VCL-ESD(V) @ 8kV | Capacitance (pf) | Package |
| AZ1043-04F | 4 lines | 3.3 | 10.5 | 0.45 | DFN2510P10E |
| AZ1043-08F | 8 lines | 3.3 | 9 | 0.5 | DFN3810P9E |
| AZ1743-04F | 4 lines | 3.3 | 9.5 | 0.4 | DFN1308P5Z |
| AZ176S-04F | 4 lines | 1.5 | 4.3 | 0.29 | DFN2510P10E |
| AZ5B8S-01F |
1 lines |
1.5 | 5.5 | 0.18 | DFN0603P2Y |
表3. TVS solution for Type-C TX/RX
3. USB D+/D-資料線，以及輔助通信CC、SBU信號線TVS保護推薦：
| Part No | Channel # | VRWM (V) | VCL-ESD(V) @ 8kV | Capacitance (pf) | Package |
| AZ1045-04F | 4 lines | 5 | 12 | 0.5 | DFN2510P10E |
| AZ1045-08F | 8 lines | 5 | 10.5 | 0.5 | DFN3810P9E |
| AZ5425-01F | 1 lines | 5 | 24 | 0.8 | DFN1006P2E |
| AZ5515-02F | 2 lines | 5 | 10 | 0.8 | DFN1006P3X |
| AZ5B85-01B | 1 lines | 5 | 11 | 0.5 | CSP0603P2Y |
| AZC099-04S |
4 lines |
5 | 11.5 | 1.0 | SOT23-6L |
| AZC199-04S |
4 lines |
5 | 11 | 1 | SOT23-6L |
表4. TVS solution for Type-C D+/D-/CC/SBU
參考文獻:
[1]. USB官方網站：https://www.usb.org/