图 3：USB Type-C 插座连接器
在正常情况下，施加到 VBUS 的电压电平可高达 20 V，这很容易损坏上游 CC 和 SBU 数据线电路。但是，CC 和 SBU 引脚用于不同的功能，具有不同的保护要求。
顾名思义，CC 引脚用于功能——端口功能的控制和配置，可能包括电缆检测、插头方向、角色检测或模式。在某些用途中，CC1 引脚可以切换为 VCONN 功能的电源。施加到 CC 引脚的典型信号电平最高可达 5 V；因此，这些引脚的 OVP 阈值通常设置为 6 V。因此，如果以大于 5 V 的电平与 VBUS 短路或当施加的信号电平超过标称最大值 5 V 时，端口应关闭并受到保护。 CC 引脚还应在停机后承受高达 25 V 的浪涌电压水平而不会损坏，以符合端口标准 (IEC16000-4-5)。图 4 显示了 20V 热插拔关断保护事件。 CC 或 SBU 开关的输入侧上升到 20 V，而开关断开到输出侧以保护系统。在系统为一个 CC 引脚分配 VCONN 功能的作用下，它被设计为在 5 V 时提供高达 1.0 W 的功率。为了保护上游电池或电源，需要一个限流控制。 KTU1125 通过用户可选择的 VCONN 限流选项提供此功能。
系统通常要求配电 (PD) 控制器监控 CC 线路以捕获电压降事件，以实现从 VBUS 上的灌电流到拉电流的角色交换。 USB-PD 标准规定从灌电流切换到拉电流的时间为 150 μs。这是 PD 控制器检测到角色交换、将信息传递给系统并让系统做出反应以避免 VBUS 上的电源故障的时间。当连接到端口的设备正在传输易失性数据并有丢失数据的风险时，这可能是一个问题。为了减轻对 PD 控制器的依赖和系统响应时间的不确定性，以满足 150-μs 的要求，KTU1125 具有自监控 CC 线路以实现快速角色交换 (FRS) 条件的独特功能。当通过 I2C 接口启用 FRS 功能时，KTU1125 将监控 CC1/CC2 线路是否出现 VCCn ≤ 0.49 V for 30 μs ≤ time ≤ 50 μs 的情况。当满足 FRS 的 CC 线路条件时，KTU1125 将在 150 μs 内将 VBUS 从电流吸收器切换到电流源，以减少 VBUS 电源中断的机会。此外，IC 提供了一个硬件 FRS 标志来提醒系统请求的功能更改。
图 4：CC 和 SBU 数据线 20V 热插拔浪涌保护关断响应
SBU 输入通常用于交替模式功能或 DisplayPort 高分辨率视频功能。 SBU 引脚的多用途特性需要从端口到系统的 2:1 MUX，以适应上游系统的不同 DisplayPort 和交替模式功能。由于 SBU 保护开关和 MUX 对高速数据的要求，它们需要低电容特性来实现通常在 1 GHz 范围内的高信号带宽能力。图 5 显示 SBU 模拟开关差分带宽大于 1 GHz，以保持高速数据完整性。对于 KTU1125 等保护 IC 的设计人员来说，这带来了关键的设计折衷，因为产生高压和静电放电抗扰度的开关特性对模拟开关具有电容性和带宽限制。 KTU1125 的设计和技术经过平衡，既可实现高带宽的信号完整性目标，又可提供所需的高压保护。 SBU 引脚与 CC 引脚具有相同的 VBUS 和外部过压事件风险，但需要较低的 OVP 阈值，因为标称预期信号电平不应超过 3.6 V。为了满足这一要求，KTU1125 提供了一个典型的 OVP 关断阈值3.83 V 以保护上游系统。这些引脚上的关断关态电压保护额定值高达 24 V，因此如果在 20 V 时与 VBUS 短路，不会造成损坏。
图 5：KTU1125 SBU 引脚的典型差分带宽响应
无论产品设计得多么仔细或产品如何使用，USB Type-C 端口的所有引脚都可能受到 ESD 事件的影响。钍没有办法消除 ESD 事件对便携式产品端口的影响，因此任何端口保护开关都必须防止 ESD 事件，以保护自身和系统。作为给定的最小值，所有开关 IC 引脚都应承受 IEC61000-4-2 最高 ±8 kV 的接触放电水平和最高 ±15 kV 的气隙放电水平。在 OVP 关闭或器件被禁用时，浪涌电压水平应遵循 IEC61000-4-5 标准，VBUS 开关为 ±100 V，CC 开关为 25 V。 ESD 保护规范是产品可靠性不容忽视的重要限制。
《C 语言高级 PIC 微控制器项目：从 USB 到 PIC 18F 系列的 RTOS》
为了完善用于 USB Type-C 端口应用的保护开关的多功能性，应考虑默认功能和可编程性。默认配置下的 KTU1125 可用于对 VBUS、CC 和 SBU 数据线进行全面保护，无需 PD 控制器进行设置控制，从而简化低成本设计。同时，像 KTU1125 这样的设备可以通过集成的 I2C 接口提供完整的系统控制和灵活性，并且在允许电流在 VBUS 上流动之前需要 I2C 控制。开关状态、OVP 阈值、电流限制水平和故障状态都可以由系统动态查询和设置，因为条件或模式随着连接到端口的外围设备而变化。
