USB Type-C端口的实现挑战和设计解决方案

文章：Kay Annamalai

USB从1.1到3.2及以后

通用串行总线(USB)于1996年首次推出，它统一了多种不同类型连接的作用，在计算和消费科技产品中无处不在。它的到来使连接多个外设，如键盘、鼠标、打印机、相机、外置驱动器或其他，到计算机上变得容易和方便。外设不再由接口定义，用户也不再需要处理多种电缆类型来连接他们想要使用的设备。

USB 1.1允许的最大数据速率12Mbps。USB 2.0将标准提高到480Mbps，以处理多种角色，包括流媒体视频和从外部设备快速传输数据到PC硬盘驱动器。通过指定的VBUS和接地引脚提供2.5W的5V直流电源，USB接口还使用户能够为小型设备供电，如外部驱动器，或为笔记本电脑和移动电话充电，而无需额外的电源连接。2007年，智能手机行业强制要求手机使用USB充电接口，以便使用标准的USB Type-A插座充电，从而避免废弃专用充电器带来的电力浪费负担。

今天的消费者趋势需要智能产品中嵌入式系统的更具互连带宽，例如需要将内容施放到越来越大的屏幕尺寸和使用高速多千兆存储驱动器的数据交换数据的流媒体高清和4K超高清视频系统。新标准如HDMI，6Gbps，DisplayPort在8.1Gbps，20Gbps的霹雳出现以处理增加的需求。

为了保留USB的通用优势，USB实现者论坛(USB- if)首先介绍了USB 3.2规范，它确定了三个传输速率:USB 3.2 Gen1 (5Gbps)、USB 3.2 Gen2 (10Gbps)和USB 3.2 Gen2x2 (20Gbps利用双通道物理接口)。这些被销售给消费者作为SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10Gbps和SuperSpeed USB 20Gbps。

最近，USB4被指定为支持20Gbps (USB4 20Gbps)和40Gbps (USB4 40Gbps)的传输速率。USB4向后兼容usb3.2、usb2.0和Thunderbolt 3，它引入了一些变化，包括面向连接的隧道架构，允许多个协议在同一物理接口上组合，共享USB4 fabric的整体速度和性能。

升级物理连接

为了支持新的双通道高速规格，同时允许向后兼容传统USB 2.0设备，需要一个新的物理接口。USB Type-C (USB- c)接口不仅为两组差分数据通道和USB 2.0总线提供了更多的连接，而且还增加了支持USB电源交付(USB PD)规范的功能。这些功能包括两组电源和接地引脚和一个通信通道，连接设备可以通过该通道协商其功耗需求和电源供应能力，范围从传统USB 2.0 5V到最新的20V/5A规格。附加的边带使用(SBU)也包括在内，以允许未来的性能增强和新特性。

图1. USB-C连接器引脚（资料来源：Diodes Inc.）

从用户的角度来看，USB-C简化了设备的连接。连接器是非极化的，允许电缆插入任何一种方式;因此，USB- c连接器现在有24个引脚，以满足支持USB 3.2、USB4和USB power Delivery (PD)所需的大量电源和数据连接，并允许与USB 2.0向后兼容，如图1所示。

此外，该接口是双向的，允许电缆在两端有相同的连接器，并允许连接的设备作为主机或设备，或作为电源消费者或供应商。

实现USB-C

通过这种额外的灵活性和对额外引脚的需求，USB-C接口比其前辈更复杂。连接的设备可以被分类为下游面对端口（DFP或源），上游面向端口（UFP或接收器）或能够源和宿源和电源的双角色端口（DRP）。需要逻辑来处理每种情况下的配置控制。还有必要检测电缆的插件方向，并将信号正确切换到USB 3.2和DisplayPort到USB-C连接器。此外，需要多路复用USB 2.0信号，电源开关和充电控制，以及信号完整性和瞬态电压保护的规定。

一种设备，例如笔记本电脑或平板电脑，可以包含电路，如图2所示，提供一种能够处理USB 3.2和多媒体数据以及USB PD功能的完全运行的USB-C接口。

图2。USB- c接口支持USB 3.2多媒体，USB PD(来源:Diodes Inc.)

双向矩阵开关，如二极管PI3USB31532，如图2所示，提供了一个完全集成的解决方案，能够复用USB 3.2 Gen2(单线，10Gbps SuperSpeed+)和/或多达4通道的DisplayPort 1.4信号以及通过USB- c连接器的辅助通道。该开关具有低插入损耗和8.3GHz的宽-3dB带宽，以确保高达10Gbps的信号保真度。

除了支持上述功能之外，还可以使用诸如6通道4通道PI3DPX1205A的活动MUX。该MUX包含一个redriver函数来驱动更长的距离。具有接收端线性均衡和平面增益和均衡的输出设置的功能确保了类似的CMOS Redrivers的信号完整性。

通过PD控制器执行USB电力传递功能，其允许通过USB Type-C连接器的电力输出高达100W，以及通过USB Type-C接口启用多媒体数据（例如DP或Thunderbolt）的替代模式。

像PI5USB2546A这样的设备集成了充电端口控制、2.4A电源开关以及USB 2.0 D+和D‐数据线的开关。支持USB Battery Charging 1.2规范，包括CDP (Charging downstream port)和DCP (dedicated Charging port)模式，可用于壁式充电适配器、主机和集线器设备。

图3.在智能手机中实施USB-C（来源：Diodes Inc.）

图3显示了适用于智能手机的USB-C端口实现。该电路使用二极管PI5USB31213A的示例，该二极管PI5USB31213A包含USB Type-C配置信道控制器功能以及USB 3.2 Gen2 10Gbps复用功能，以使得适当的数据能够向非极化的USB Type-C连接器实现。该器件根据CC引脚上检测到的电压电平处理主机模式，设备模式或双角色端口的自动配置。它还提供连接器方向检测以及通过USB Type-C接口协商充电电流。或者，可以使用诸如PI3EQX10312的设备。这包含PI5USB31213A中包含的所有功能，其中唯一的变化是包含redriver以使能更长的迹线距离。
图4。USB-C Dock (Source: Diodes Inc.)

作为最后的示例，图4示出了通过单个USB Type-C端口连接到上游主机的通用对接站，并提供用于下游设备的DisplayPort，HDMI，VGA和多个USB 3.2输出端口，例如监视器和外部贮存。它还提供千兆以太网LAN端口。这里，诸如USB Type-C横杆开关或USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4有源横杆的设备可用于处理USB 3.2和DisplayPort切换。图中所示的电源开关使码头能够通过VBUS引脚向主机提供电源。从DP交换机输出分别直接转到DP连接器或通过HDMI或VGA转换器分别通过HDMI或VGA转换器分别到HDMI和VGA连接器。

结论

设备设计师必须面对USB- c端口的复杂性，以充分利用最新的USB电源和数据能力，包括高达100W的电源交付，USB 3.2和USB4数据速率，以及多协议支持。多种集成解决方案可处理数据交换、电源交换、充电控制和电缆方向检测，简化设计，简化产品认证，节省电路板空间和材料清单成本。

-Kay Annamalai是Diodes的高级营销总监