Type-C 接口如何应对液体腐蚀?

参考自:USB Type-C Cable and Connector Specification V2.4

Type-C 接口腐蚀的原理

平常我们用的 USB Type-C 接口,没连接设备时,里面的源端或双角色端口会把 CC 引脚电压提到 3V - 5.5V。要是这时候接口进了像汗水、自来水这类能导电的液体,就相当于在引脚间搭了 "电桥"。

当引脚间电压差超过几百毫伏,金属引脚里的原子会失去电子,变成离子跑到液体里。这些带电离子会从电压高的引脚往低的那边移动。离子移动会带来麻烦------

  • 一是金属引脚的金属会慢慢变少,或者表面生成导电差的氧化物,导致引脚连接断开,或者电阻变大,这会让设备数据传输出错、充电异常。
  • 二是离子移动可能使引脚间长出 "树枝" 状金属晶体,或者金属颗粒沉积在塑料表面连接引脚,造成短路,短路会让电流过大,烧坏元件,甚至引发危险。

从图中可以看到,USB Type-C 连接器的引脚表面覆盖着镍钯镀层。这是一种常见的金属表面处理工艺,目的是增强引脚的性能。镍具有良好的耐腐蚀性,可以保护内部金属不被轻易氧化或腐蚀,延长引脚的使用寿命。钯则具备优秀的导电性和抗硫化性能,能确保引脚在传输电流和信号时的稳定性和可靠性,减少信号损失和接触电阻。在这张图片里,尽管有镍钯镀层,引脚依然受到了腐蚀,说明进入连接器的液体腐蚀性较强,或者引脚间存在较高电压差,使电化学反应突破了镀层的防护。

图中 CC 引脚附近特别标注了 "Cu dendrites",也就是铜树枝状晶体。当含电解质的液体进入 USB Type-C 连接器后,在引脚存在电压差,发生电化学反应。铜作为引脚的组成金属之一,金属铜原子会失去电子变成铜离子进入液体中。这些铜离子会在电场的作用下移动,随着时间推移,它们会在特定位置沉积并逐渐生长,形成类似树枝状的晶体结构。这些铜树枝状晶体的生长可能会连接不同的引脚,从而严重影响 USB 设备的正常工作。

液体检测方法

  • 液体测量法: 通过测量引脚间液体泄漏效应检测液体。干燥时测量引脚偏置到已知电平,潮湿时 DC 电压或信号会耦合到测量引脚,可由比较器或 ADC 读取。该方法复杂度低,但对液体敏感性一般,存在漏检和误检情况。
  • 脉冲测量法: 向测量引脚驱动脉冲,经串联电阻后,通过定时器和比较器测量引脚电压上升或下降过阈值的时间来检测液体。干燥时引脚电压快速过阈值,潮湿时因液体和相邻引脚负载影响,电压变化变慢。该方法复杂度稍高,敏感性一般,也存在漏检和误检,但误检率低于液体测量法。
  • 阻抗测量法: 通过测量测量引脚的阻抗检测液体,如采用 I - V 测量法对比 "干" 状态下的幅度和相位变化判断干湿情况。该方法复杂度高,但敏感性高、误检率低。

为此,可能需要在 Type-C 连接器中增加额外的引脚来进行液体监测:

检测后的动作

当带 USB Type-C 接口的设备检测到液体,会先进入 "错误恢复",再切换到 "腐蚀缓解" 状态。

在 "腐蚀缓解" 状态下,接口要把 CC1 和 CC2 引脚通过小电阻拉低,电阻比规定最大值小,且比 Ra 还小,这样能大幅降低引脚电压,抑制腐蚀。

若设备一次只能拉低一个 CC 引脚,那就只给一个引脚接电阻,另一个开路。但要时刻监测开路引脚的电压,一旦因设备反向插入使其电压升高,就得马上交换两个 CC 引脚的状态。

当设备连接到处于 "腐蚀缓解" 状态的接口时,会依据检测到的电阻情况进入不同状态。检测到两个 Ra 电阻,进入 "连接等待 - 源端" 状态做连接准备;只检测到一个 Ra 电阻,就保持 "未连接 - 源端" 状态;检测到双角色端口连接一个 Ra 电阻,就继续进行端口角色切换。

在这些状态中,为防腐蚀,电源相关电压都设为 0V,CC 引脚被对端电阻拉低,其他引脚开路或拉低。等检测不到液体了,接口就退出 "腐蚀缓解" 状态,恢复正常。

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