So schützen Sie USB-C-Kabel optimal vor Überhitzung

| Autor / Redakteur: Todd Phillips * / Thomas Kuther

Ein USB-C-Ladesystem: Es besteht aus dem Ladegerät, einem Kabel und dem zu ladenden Gerät. Das USB-C-Kabel kann dabei heiß werden und muss deshalb gegen Übertemperatur geschützt werden.
Ein USB-C-Ladesystem: Es besteht aus dem Ladegerät, einem Kabel und dem zu ladenden Gerät. Das USB-C-Kabel kann dabei heiß werden und muss deshalb gegen Übertemperatur geschützt werden. (Bild: Littelfuse)

Um USB-Kabel vor Übertemperatur zu schützen, wurden bislang PPTC-Elemente oder Leitungsschutzschalter genutzt. Mit USB-C und USB-PD ist jedoch ein neuer Designansatz notwendig.

Zum schnellen, praktischen Aufladen einer Vielzahl mobiler und tragbarer Geräte wie Smartphones, Tablets oder Laptops werden seit einigen Jahren Ladegeräte mit verschiedenen Versionen von USB-Kabeln und Steckverbindern eingesetzt. Viele Konsumenten verwenden mehrere Arten von Kabeln, die mit den gekauften Geräten mitgeliefert wurden und sowohl für das Laden als auch für die Datenübertragung geeignet sind.

Aber heute wünschen sich die Verbraucher Kabel, die verschiedene Geräte mit der entsprechenden Leistung aufladen können und höhere Datenübertragungsraten unterstützen. Deshalb haben sich viele Hersteller für den USB-C-Standard entschieden.

Die drei Elemente eines Ladesystems

In jedem Ladesystem müssen drei Geräte zusammenarbeiten: das Ladegerät, das Kabel und das zu ladende Gerät. USB-C-Ladegeräte besitzen an einem Ende einen Netzstecker zum Anschluss an eine Steckdose und am anderen Ende entweder ein Kabel mit einem USB-C-Stecker zum Anschluss an das zu ladende Gerät oder einen USB-C-Ausgang, der das Einstecken eines USB-C-Kabels ermöglicht.

USB-C-Kabel sind mit einem oder mehreren symmetrischen 24-poligen Steckverbindern ausgestattet. Sie müssen in der Lage sein, geeignete Spannungen und Ströme zu führen. Aus schutztechnischer Sicht müssen diese Kabel bei Ladegeräten mit unverlierbarem oder festem Kabel die maximale Spannungsabgabe des Ladegeräts bewältigen können. Kabel mit Typ-C-Steckern an beiden Enden nehmen dabei 21 V und mindestens 3 A auf. Mit speziellen E-Marker-ICs können sie 5 A führen. Jedes Gerät, das sich im Strompfad befindet, muss ebenfalls diesen Spannungs- und Stromwerten standhalten können. Dies gilt insbesondere für die Schutzeinrichtungen.

Ladeschäden können zwei Ursachen haben

USB-C-Kabel sind aus zwei Gründen anfällig für Beschädigungen: Eine mögliche Ursache ist die hohe Leistung, die diese Kabel bei der Verwendung von Steckverbindern mit sehr engem Pin-zu-Pin-Abstand übertragen müssen. Dies erhöht das Risiko eines Fehlers, der ein thermisches Ereignis verursachen könnte. Der zweite Faktor ist die Anfälligkeit des Steckverbinders für Verunreinigungen und die damit verbundene Gefahr einer unkontrollierten Überhitzung. Wenn Staub, Haare, Metallpartikel oder andere Ablagerungen in einem USB-Kabelanschluss vom Typ-C stecken bleiben oder sich die Anschlussstifte verformen, kann dies zu einem Widerstandsfehler von der Stromleitung zur Erde führen. Diese Fehler können einen gefährlichen Temperaturanstieg verursachen und gleichzeitig den Strom nur minimal erhöhen. In der Praxis wurden bereits mehrfach solche Vorfälle von Schäden an Geräten und Kabeln gemeldet.

Der gängige Ansatz zum Schutz von USB-Kabeln vor Überhitzung besteht darin, entweder ein PPTC-Sicherungselement (Polymeric Positive Temperature Coefficient) oder einen Leitungsschutzschalter – auch bekannt als thermische Abschaltung – auf der VBUS-Netzleitung zu integrieren. Die gewählte Vorrichtung wird auf einer Leiterplatte im Inneren des Steckverbinders platziert, um den durch den Widerstandsfehler verursachten Temperaturanstieg zu erfassen. Mit der Entwicklung der Spezifikationen USB-C und USB-PD (Power Delivery) sowie der damit verbundenen höheren Leistung von bis zu 100 W sind diese Lösungen jedoch möglicherweise nicht mehr ausreichend.

Sowohl PPTCs als auch Leitungsschutzschalter können zu einem Leistungsverlust beitragen. Dies erschwert es den Herstellern von Netzteilen, die vorgeschriebenen Effizienzanforderungen zu erfüllen. Es kann auch schwierig sein, beide Geräte in die engen Bereiche eines Steckverbinders zu integrieren. So haben beispielsweise die PPTCs, die sich zum Schutz von 60-W-Ladegeräten eignen, typischerweise eine Grundfläche von 3,2 mm × 2,5 mm. PPTCs und Leitungsschutzschalter für eine Leistung von 100 W müssten noch größer sein. Zudem besitzt ein Leitungsschutzschalter eine relativ schwache mechanische Struktur und seine bimetallischen Materialien können während der Kabelmontage verformt werden. Im Falle einer Überhitzung würde dies verhindern, dass der Leitungsschutzschalter funktioniert.

Bild 1: Der digitale Temperaturanzeiger PolySwitch setP wird im USB-C-Stecker platziert und schützt die Kabel vor Überhitzung.
Bild 1: Der digitale Temperaturanzeiger PolySwitch setP wird im USB-C-Stecker platziert und schützt die Kabel vor Überhitzung. (Bild: Littelfuse)

Ein völlig neuer Designansatz ist nötig

Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu lösen, ist der Einsatz einer anderen Art von Schutzeinrichtung im Kommunikationskanal des USB-C-Steckers statt auf der VBUS-Leitung. Ein solches Schutzelement vor Überhitzung ist der digitale Temperaturanzeiger PolySwitch setP (Bild 1). Diese Vorrichtung erfasst einen Temperaturanstieg und informiert das System, die Stromversorgung abzuschalten.

Bild 2: Widerstands-/Temperaturkurve für den digitalen Temperaturanzeiger
Bild 2: Widerstands-/Temperaturkurve für den digitalen Temperaturanzeiger (Bild: Littelfuse)

Wenn der digitale Temperaturanzeiger im Kommunikationskanal des USB-C-Steckers integriert ist, wechselt er bei Temperaturen über 100 °C von einem niederohmigen Zustand in einen hochohmigen Zustand (Bild 2). Durch diesen erhöhten Widerstand steigt die Spannung im Kommunikationskanal über den vom USB Implementers Forum definierten Wert hinaus.

Wenn die Spannung höher als der Schwellenwert ist, geht das Ladesystem davon aus, dass sich das Kabel gelöst hat. Das Ladesystem schaltet anschließend die Stromversorgung über die VBUS-Leitung ab. So wird eine Überhitzung von Stecker, Kabel und geladenem Gerät verhindert. Das Kabel kann den normalen Betrieb wieder aufnehmen, sobald der Benutzer das Kabel trennt und die Rückstände vom Stecker entfernt.

Bild 3: Größenvergleich von Leistungsschaltern, SMD- und setP-Geräten
Bild 3: Größenvergleich von Leistungsschaltern, SMD- und setP-Geräten (Bild: Littelfuse)

Die setP-Geräte sind mindestens 30% kleiner als die meisten anderen Lösungen, die für den Überhitzungsschutz von USB-C-Kabeln verwendet werden (Bild 3). Mit einer kompakten Stellfläche von 2,0 mm × 1,2 mm und einer starren physischen Struktur widerstehen sie zuverlässig modernen Kabelkonfektionen und Spritzgießvorgängen. Damit eignen sie sich für den Einsatz in Stromversorgungen mit angeschlossenen USB-C-Kabeln, USB-C- und USB-PD-Ladekabeln. Dabei lässt sich der gleiche digitale Temperaturanzeiger zum Schutz von Kabeln verwenden, die für den Betrieb mit 15, 60 oder 100 W ausgelegt sind.

Die wichtigsten Vorteile eines digitalen Temperaturanzeigers:

  • Die kompakte Größe und Temperaturempfindlichkeit vereinfachen die Gewährleistung sicherer Oberflächentemperaturen der Kabel für Anwender.
  • Die starre Struktur ist kompatibel mit herkömmlichen Montage- und Formgebungsverfahren der Kabel- und Steckerfertigung.
  • Die Unabhängigkeit von der USB-Stromversorgung ermöglicht eine geringere Baugröße sowie eine höhere Energieeffizienz und vereinfacht die Teileauswahl.
  • Durch die fehlende Unterbrechung des Kommunikationskanals ist setP eine einfach nutzbare Lösung für bestehende Designs.

Kompakte Schutzlösung auch für höhere Leistung

Mit einer neuen, kleineren und auch bei höherer Leistung zuverlässig funktionierenden Schutzlösung profitieren Nutzer mobiler Geräte nicht nur von einer schnellen und einfachen Datenübertragung, sondern auch einem sicheren Aufladen ihrer Geräte über USB-C-Kabel. Hersteller von Netzteilen und USB-C-Steckern für Ladekabel erhalten mit dem digitalen Temperaturanzeiger setP die derzeit platzsparendste und energieeffizienteste Lösung zum Schutz vor Überhitzung. So können sie noch kleinere und sicherere Geräte entwickeln und anbieten.

* Todd Phillip ist Global Marketing Manager bei Littelfuse.

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