AN-2590: 通过MAX20342实现可靠的湿度检测，简化USB Type-C设计

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手机在插入USB充电器时若显示警告信息“检测到充电端口上有水分或异物”，则明确表明这部手机的USB端口具备防潮保护功能。

引言

USB Type-C标准的广泛应用为消费电子领域带来了诸多优势，只需使用同一种接口，即可实现更快的数据传输、更高的功率传输和更通用的连接。然而，与其他USB端口相比，不断进步的USB Type-C的技术（如高引脚密度和高功率能力（高达20V））也会受到湿气侵入的挑战。意外接触湿气可能导致USB端口性能退化或腐蚀。为解决这一问题，ADI公司开发了MAX20342 USB Type-C端口接口IC，这是一款高度集成的器件，它具备先进的湿度检测功能，可保护连接的系统免受潜在损坏。

本文概述了MAX20342及其主要特性，包括其湿度检测功能。同时，本文还提供了如何在典型USB Type-C系统中使用这款器件的指导。此外，文章还包含一个设计示例，并提供了分步指南来说明如何使用MAX20342评估套件配置这款器件。

通过在USB Type-C系统中使用MAX20342，设计人员可以保护设备免受意外受潮的影响，并确保设 备在各种环境下可靠运行。

Figure 1. Moisture detection fault in USB ports
图1. USB端口的湿度检测故障

MAX20342概述

MAX20342是一款高度集成的通用串行总线(USB) Type-C充电器检测器，具备多项先进特性，包括 VBUS过压保护、USB Type-C检测逻辑、兼容BC1.2的充电器检测功能、支持负摆幅音频的高速USB/通 用异步收发器(UART)开关，而且为CC、SBU和D+/D−引脚提供静电放电(ESD)保护。然而， MAX20342最显著的特性之一是具有电阻检测能力，可帮助USB Type-C设备检测USB连接器及所连配 件中的湿气。根据出厂配置，MAX20342可配置为上行端口或下行端口（UFP或DFP）。

在USB Type-C系统中实现湿度检测是一项具有挑战性的任务，因为需要专用的传感器和算法来准确检测湿度水平。这会增加设计的复杂性和成本，所以MAX20342 IC成为设计人员简化湿度检测集成过程的理想解决方案。

在接下来的章节中，我们将详细探讨MAX20342 IC的主要特性和优势，包括湿度检测功能的工作原理及其为USB Type-C系统设计人员带来的益处。我们还将讨论USB Type-C系统湿度检测中的一些常见挑战，并介绍MAX20342 IC是如何帮助解决这些挑战的。

Figure 2. MAX20342 overview
图2. MAX20342概述

湿度检测

无论是环境因素（如潮湿或进水）还是人为因素（如汗水或冷凝水），湿气都会对USB端口构成严重风险。当湿气侵入USB端口时，可能引发设备腐蚀或短路，进而导致系统故障或安全隐患。支持OTG模式的设备尤其容易受到湿气损坏，因为缺乏适当的检测机制可能导致短路并对设备造成不可逆的损坏。

MAX20342 IC采用独特的湿度检测方法，无需依赖传统湿度传感器即可准确检测USB Type-C连接器引脚上是否存在湿气。当USB Type-C连接器上存在湿气时，CC引脚的阻抗会发生变化，MAX20342能够迅速检测到这种变化。此外，如果检测到变化，MAX20342还可能测量其他引脚的阻抗。随后，这些信息会被传送给系统控制器，使其能够触发警报或关断序列，从而保护系统免受潜在损坏。

Figure 3. Moisture in Type-C port
图3. Type-C端口中的湿气

湿度检测算法

如图4所示，MAX20342在CC、SBU、D+/D-和VBUS引脚中集成了电阻测量模块。这个电阻测量模块包含一个8位SAR ADC和四个可切换的上拉电流源，另外还有一组上拉开关和一组下拉开关。每个USB Type-C引脚都配有一个下拉开关和两个上拉开关。下拉开关连接到地，而两个上拉开关分别将引脚连接到强制节点（连接上拉电流源）和检测节点（连接ADC）。

Figure 4. Integrated resistance measurement block
图4. 集成的电阻测量模块

要测量CC1引脚上的湿度，需将CC1上拉开关连接到强制节点和检测节点，同时将其他所有引脚的下拉开关连接到地。已知强制上拉电流和检测到的电压后，即可计算出电阻值。这些上拉和下拉开关可以通过写入MoistDetCtrl [4] ( MoistDetAutoCfg ) 0x51寄存器进行自动或手动配置。MAX20342还支持 手动触发（MoistDetManEn = 1）或周期性触发（MoistDetPerEn = 1）。湿度检测功能仅在MAX20342未处于关断模式且未连接USB线缆时运行。

系统设计人员可以通过选择RMOIST来设定湿度阈值，RMOIST由ADC电压阈值RMoistDetVth[7:0]和选定的 上拉电流RMoistDetIpu[1:0]组合而成。当测得的电阻低于RMOIST时，ResMoistInt中断将被置位。测量CC线电阻后，可能出现以下结果：

  1. 开路：CC线处于开路状态。CC引脚上最终施加的上拉电流为2µA。开路结果报告为IpuResult[1:0] = 00且ADCResultAvg = 0xFF。
  2. 中止：中止表示由于节点上存在未滤波的噪声或未校正的测量误差，器件无法确定电阻值。中 止结果报告为IpuResult[1:0] = 0b00且ADCResultAvg = 0x00。
  3. 有限电阻或湿气：CC线以有限电阻端接或含有一定量的湿气。MAX20342会监测上拉电流(IpuResult[1:0])和平均ADC电压(ADCResultAvg[7:0])。当上拉电流等于湿度检测上拉电流(RMoistDetIpu[1:0])且平均ADC结果小于湿度检测阈值电压(RMoistDetVth[7:0])时，或者当上拉电流大于湿度检测上拉电流时，MAX20342判定CC线中存在湿气。图5展示了自动模式下的湿度检测流程图。
Figure 5. Automatically configured moisture detection flow
图5. 自动配置的湿度检测流程

实验室测试：评估湿度检测性能

为了评估采用MAX20342 IC的USB Type-C设计中湿度检测的可靠性，我们使用MAX20342评估板进行了全面的实验室测试。

实验设置：如图6所示，直接将水滴施加到USB Type-C连接器上，对MAX20342评估板进行受控的湿气暴露测试。请参考EV套件数据手册配置EV套件以进行湿度检测。

EV套件设置为 启用自动配置和启用周期性测量，此时MAX20342用于测量CC1（或CC2）与所有其他接地的USB Type-C引脚之间的电阻。在周期性测量模式下，MAX20342每10秒更新一次测得的电阻值。 湿度检测阈值阻抗设置为700kΩ。

Figure 6. Applying water drop in the USB-C port of the MAX20342 EV kit.
图6. 在MAX20342 EV套件的USB-C端口上滴水

数据采集与分析：使用MAX20342评估板提供的图形用户界面(GUI)收集并分析湿度水平及相应响应的实时数据。MAX20342 IC在湿度检测方面表现出高灵敏度，能够可靠地识别USB Type-C连接器上的水迹，即使非常微量。

GUI显示了各USB引脚对地的测量阻抗。如图7所示，由于CC1线的阻抗(256kΩ)低于设定阈值(700kΩ)，湿度中断被置1。

Figure 7. GUI results for moisture detection
图7. 湿度检测的GUI结果

总结

MAX20342 IC的湿度检测功能具有高度可配置性，允许设计人员根据特定应用需求自定义灵敏度和响应时间。这种灵活性确保了MAX20342 IC可广泛应用于从消费电子到工业应用的各种USB Type-C系统。