隨著USB Type-C 接口在智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦以及各類(lèi)智能終端中的快速普及，Type-C 接口已經(jīng)成為設(shè)備中最常使用、也是最容易受到環(huán)境影響的關(guān)鍵部件之一。相比傳統(tǒng)接口，Type-C 在充電、數(shù)據(jù)傳輸和視頻傳輸?shù)确矫娑季邆滹@著優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)，其接口結(jié)構(gòu)更為精密，使用場(chǎng)景也更加復(fù)雜。

在日常使用過(guò)程中，用戶(hù)往往會(huì)在各種環(huán)境中連接設(shè)備，例如雨天、潮濕環(huán)境、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景甚至高溫高濕地區(qū)。水汽或液體一旦進(jìn)入 Type-C 接口內(nèi)部，可能會(huì)改變端口電氣特性，從而導(dǎo)致接口異常，輕則出現(xiàn)充電失敗、通信不穩(wěn)定等問(wèn)題，重則可能引發(fā)短路甚至接口損壞。

一、行業(yè)痛點(diǎn)&艾為方案

針對(duì)這一行業(yè)普遍存在的痛點(diǎn)，艾為提出了一套面向 Type-C 接口可靠性的智能防護(hù)技術(shù)體系——C-Shielding技術(shù)。

其中C-Shielding中的“C” 代表 Connect Compact，寓意通過(guò)緊湊而高效的接口檢測(cè)與保護(hù)機(jī)制，為 Type-C 接口構(gòu)建一層堅(jiān)固可靠的防護(hù)盾（Shielding）。通過(guò)智能檢測(cè)接口環(huán)境變化并進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)，C-Shielding 技術(shù)能夠顯著提升 Type-C 接口在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性。

水汽檢測(cè)芯片通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)端口電氣特性變化，判斷是否存在潮濕或液體侵入事件。常見(jiàn)檢測(cè)機(jī)制包括：

靜態(tài)阻抗檢測(cè)：

采集端口引腳等效阻抗，當(dāng)接口中出現(xiàn)水汽時(shí)，電極間阻抗下降，該方案通常采用ADC電路采樣待檢測(cè)端口的靜態(tài)等效阻抗并交與系統(tǒng)層面判別阻抗異常，從而判別進(jìn)水行為;

動(dòng)態(tài)容抗分析：

利用端口對(duì)AC檢測(cè)信號(hào)的反饋來(lái)推斷引腳的容抗變化，該方案通過(guò)動(dòng)態(tài)分析待測(cè)端口容抗變化來(lái)甄別水汽入侵。

二、艾為方案

艾為電子針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景推出兩條技術(shù)路徑的水汽檢測(cè)解決方案：

方案一 : AW35615基于PD PHY的CC端口解決方案

艾為第二代的PD PHY芯片充分考慮到了目前客戶(hù)界面普遍存在的兩大痛點(diǎn)：DRP模式下的電腐蝕問(wèn)題和進(jìn)水檢測(cè)。

端口的電腐蝕問(wèn)題在手機(jī)、平板、筆電等DRP (既充電又放電) 應(yīng)用場(chǎng)景中普遍存在，一方面是因?yàn)镈RP端口需要檢測(cè)Source or Sink設(shè)備插入，需要讓自己工作在toggle狀態(tài)，那么根據(jù)Type-c協(xié)議規(guī)定，端口的CC 引腳上面會(huì)周期性存在下表中的一種電流，而這種反復(fù)的電荷遷移將會(huì)帶來(lái)電腐蝕問(wèn)題，且疊加水汽入侵的話(huà)腐蝕速度會(huì)愈加嚴(yán)重。

表1各擋位=>各檔位

在此背景下，艾為的AW35615系列芯片引入Wake mode，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需toggle即可以判斷設(shè)備插入的技術(shù)（同時(shí)降低芯片靜態(tài)功耗），客戶(hù)可以配置芯片進(jìn)入Wake mode，當(dāng)有外部設(shè)備插入端口后，系統(tǒng)讀到Wake mode中斷再打開(kāi)toggle mode來(lái)進(jìn)一步判斷插入設(shè)備的類(lèi)型，其實(shí)現(xiàn)方式可以簡(jiǎn)化為：

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圖1 Wake mode 示意圖

當(dāng)用戶(hù)配置芯片進(jìn)入Wake mode后，將會(huì)使能內(nèi)部兆歐級(jí)上/下拉電阻，從而用nA級(jí)別電流將端口CC引腳維持在0.9V左右電壓，這將極大減緩端口的電腐蝕速度。而當(dāng)設(shè)備插入或者水汽入侵后，將會(huì)打破這里的電壓平衡進(jìn)而發(fā)出WAKE中斷，進(jìn)入水汽檢測(cè)和toggle狀態(tài)。

艾為的PD PHY系列芯片內(nèi)部集成擁有專(zhuān)利保護(hù)的硬件水汽檢測(cè)電路，并將其融入到toggle過(guò)程中，其原理結(jié)合下圖解釋?zhuān)?/p>

圖2 CC PIN Toggle 示意圖

圖3 水汽入侵后CC pin波形分析模型圖

可以看到在水汽入侵之后CC端口電平因寄生的低通濾波器存在，上升沿將變得異常緩慢，通過(guò)設(shè)置目標(biāo)CC pin VOL電平及到達(dá)目標(biāo)電平所需時(shí)間等參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水汽入侵檢測(cè)靈敏度的靈活控制。其典型應(yīng)用框圖如下所示：

圖4 AW35615 典型應(yīng)用框圖

其主要參數(shù)為：

支持USB PD 3.1 28V EPR

更優(yōu)秀的眼圖

CC引腳最高耐壓值：32V

擁有通過(guò)CTS認(rèn)證的完整PD協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)（適配從RTOS到Linux各平臺(tái)應(yīng)用）

支持1.2V 1.8V IIC通信

支持死電池模式，未通電時(shí)作為SNK

內(nèi)置專(zhuān)利保護(hù)的LPD硬件算法

支持VBUS檢測(cè)與放電控制功能，可以避免VBUS電腐蝕老化損耗

支持Wake低功耗檢測(cè)模式

方案二： AW35613系列基于PD Controller端口協(xié)議的解決方案

針對(duì)PD Controller應(yīng)用的CC Pin ESD防護(hù)及水汽檢測(cè)芯片在筆電等使用PD Controller作為端口協(xié)議解決方案的場(chǎng)景，艾為推出AW35613系列產(chǎn)品，其擁有優(yōu)異的ESD及Surge防護(hù)能力并集成濕度檢測(cè)功能，同時(shí)亦兼顧到端口因長(zhǎng)期處于toggle狀態(tài)而產(chǎn)生的電腐蝕問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)化如下：

圖5 AW35613 水汽檢測(cè)原理展示

當(dāng)端口被配置為DRP 模式后，AW35613將會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)連接到PD Controller端的CC端口電平，并關(guān)閉MPASS管，使用芯片內(nèi)部2μA左右電流鏡作用于端口CC pin，進(jìn)而達(dá)到探測(cè)設(shè)備插入事件的作用。

同時(shí)這將極大降低toggle狀態(tài)下的端口電腐蝕速度，當(dāng)端口電壓變化時(shí)，芯片內(nèi)部的monitor邏輯電路將會(huì)通過(guò)內(nèi)置的時(shí)序邏輯去探測(cè)CC端口的等效AC下阻/容抗，進(jìn)而識(shí)別是正常的設(shè)備插入還是水汽入侵，并選擇打開(kāi)MPASS進(jìn)行后續(xù)的協(xié)議溝通還是給出NFLT指示，告知系統(tǒng)進(jìn)水事件。AW35615的典型應(yīng)用框圖如下：

圖6 AW35613 典型應(yīng)用框圖

其主要參數(shù)為：

C_CC1/2 最高耐壓32V

IEC61000-4-2 ESD 等級(jí)：接觸±8kV 空氣±15kV

IEC61000-4-5 浪涌能力: ±60V

CC1/2 擁有600mA的過(guò)電流能力

支持死電池模式

支持水汽檢測(cè)

CC Ron 小于0.3Ω

C_CC OVP 閾值 5.8V

-3dB 帶寬160MHz

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化要點(diǎn)

在整機(jī)設(shè)計(jì)中，水汽檢測(cè)芯片通常與 AP控制器、PD Controller、OVP 芯片、MOSFET 等器件協(xié)同工作。艾為建議設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注以下關(guān)鍵點(diǎn)：

檢測(cè)引腳選擇：根據(jù)端口引腳分布，優(yōu)選靠近VBUS的CC引腳；

靈敏度調(diào)校：確保在高濕環(huán)境中不誤觸發(fā)；

防護(hù)鏈閉環(huán)：檢測(cè)→斷電→恢復(fù)路徑要完整可靠；

低功耗控制：待機(jī)電流控制在 μA 級(jí)，延長(zhǎng)續(xù)航；

實(shí)測(cè)表明，這兩款芯片可在不改變外觀(guān)結(jié)構(gòu)的前提下，大幅提升 Type-C 接口在潮濕環(huán)境下的可靠性與壽命。

隨著 USB Type-C 接口在智能設(shè)備中的普及，以及 USB PD 快充功率持續(xù)提升，接口可靠性問(wèn)題越來(lái)越受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注。

艾為提出的C-Shielding 技術(shù)，通過(guò)智能水汽檢測(cè)、低功耗監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)級(jí)保護(hù)機(jī)制，為 Type-C 接口構(gòu)建了一套完整的可靠性防護(hù)方案。

通過(guò)Connect Compact 的設(shè)計(jì)理念，C-Shielding 技術(shù)能夠在不改變終端設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，為接口增加一層智能防護(hù)盾，有效提升設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的使用可靠性。

未來(lái)，隨著智能終端應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，類(lèi)似C-Shielding的接口可靠性技術(shù)也將成為 Type-C 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。