Usb-type-C端口实现的挑战与设计方案

Usb-type-C端口实现的挑战与设计方案

USB Type-C port implementation challenges and design solutions

USB from 1.1 to 3.2 and Beyond

通用串行总线（universal serial bus，USB）于1996年首次推出，它统一了多种不同类型连接的角色，在计算和消费类科技产品中无处不在。它的到来使得连接多个外围设备，如键盘、鼠标、打印机、相机、外置驱动器或其他设备，都可以轻松方便地连接到计算机上。外围设备不再由接口定义，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。              USB1.1允许的最大数据速率为12Mbps。usb2.0将标准提高到480Mbps，以处理各种角色，包括流式视频和从外部设备快速传输数据到PC硬盘。通过指定的VBU和接地引脚，USB接口可在5V直流电下提供高达2.5W的电源，用户还可以为小型设备（如外部驱动器）供电，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，智能手机行业要求手机的USB充电接口允许从标准的USB Type-a插座充电，并避免因废弃的专用充电器而造成的电气浪费负担。

清视频系统，这些系统需要将内容投射到越来越大的屏幕大小，并与高速的千兆存储驱动器交换数据。新的标准如6Gbps的HDMI、8.1Gbps的DisplayPort和20Gbps的Thunderbolt等都出现了，以应对不断增长的需求。

为了保住USB的通用王冠，USB实施者论坛（USB-IF）首先介绍了USB 3.2规范，该规范确定了三种传输速率：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）。这些产品以超高速USB 5Gbps、超高速USB 10Gbps和超高速USB 20Gbps向消费者销售。

最近，USB4被指定支持20Gbps（USB4 20Gbps）和40Gbps（USB4 40Gbps）传输速率。USB4向后兼容USB 3.2、USB 2.0和Thunderbolt 3，引入了包括面向连接的隧道体系结构在内的变化，允许在同一物理接口上组合多个协议，并共享USB4结构的总体速度和性能。

Upgrading the Physical Connection

升级物理连接

为了支持新的双通道高速规范，同时允许向后兼容旧的usb2.0设备，需要一个新的物理接口。USB Type-C（USB-C）接口不仅包含两组差分数据通道的更多连接和并行运行的USB 2.0总线，而且还添加了支持USB电源传输（USB PD）规范的功能。这些功能包括两组电源和接地引脚以及一个通信通道，通过该通道连接的设备可以协商其功耗需求和电源能力，范围从传统的USB 2.0 5V到最新的20V/5A规格。此外，还包括额外的边带使用（SBU），以允许未来的性能增强和新功能。

Figure 1. USB-C Connector Pins

USB-C从用户的角度简化了连接设备。连接器是非极化的，允许电缆向上插入；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电源传输（PD）所需的大量电源和数据连接，并允许向后兼容USB 2.0，如图1所示。

此外，该接口是双向的，允许电缆在每一端具有相同的连接器，并允许连接的设备充当主机或设备或电力消耗者或供应商。

Implementing USB-C

实现USB-C

由于这种额外的灵活性和对额外引脚的需求，USB-C接口比它的前辈复杂得多。连接的设备可以被分类为面向下游的端口（DFP或source）、面向上游的端口（UFP或Sink）或双角色端口（DRP），这些端口能够同时提供数据和电源。在每种情况下都需要逻辑来处理配置控制。还需要检测电缆的插入方向，并正确切换信号，如USB 3.2和DisplayPort到USB-C连接器。此外，还需要USB2.0信号的多路复用、电源切换和充电控制，当然，还需要提供信号完整性和瞬态电压保护。

一个设备，如笔记本电脑或平板电脑，可以包含电路，如图2所示，提供一个功能齐全的USB-C接口，能够处理USB3.2和多媒体数据以及USB PD功能。

Figure 2. USB-C Interface Supporting USB 3.2 Multimedia, and USB PD

双向矩阵交换机（如图2所示的二极管PI3USB31532）提供了一个完全集成的解决方案，能够通过USB-C连接器多路复用USB 3.2 Gen2（单通道，10Gbps超高速+）和/或多达四个通道的DisplayPort 1.4信号以及辅助通道。该交换机具有低插入损耗和8.3GHz的宽3dB带宽，以确保信号保真度高达10Gbps。

除了支持上述PI5USB31532功能外，还可以使用有源mux，如6通道4通道PI3DPX1205A1。这个mux集成了一个ReDriver功能来驱动更长的距离。包括接收端线性均衡和输出设置的平坦增益和均衡，确保了两倍的信号完整性的可比CMOS红河。

USB电源传输功能通过PD控制器执行，该控制器允许通过USB Type-C连接器提供高达100W的功率，并通过USB Type-C接口启用多媒体数据的替代模式，如DP或Thunderbolt。

像PI5USB2546A这样的设备集成了充电端口控制和2.4A电源开关以及usb2.0d+和D-数据线的交换。该部件支持USB电池充电1.2规范，包括充电下游端口（CDP）和专用充电端口（DCP）模式，可用于墙壁充电适配器以及主机和集线器设备。

Figure 3. Implementing USB-C in Smartphones

图3显示了一个适用于智能手机的USB-C端口实现。该电路以二极管PI5USB31213A为例，该二极管集成了USB Type-C配置通道控制器功能和USB 3.2 Gen2 10Gbps复用功能，以便将正确的数据传输到非极化USB Type-C连接器。该设备根据CC引脚上检测到的电压水平处理主机模式、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之类的设备。这包含了PI5USB31213A中包含的所有功能，唯一的变化是包含了一个ReDriver，以支持行驶更长的跟踪距离。

Figure 4. USB-C Dock

作为最后一个示例，图4展示了一个通用扩展底座，它通过单个USB Type-C端口连接到上游主机，并为下游设备（如监视器和外部存储器）提供DisplayPort、HDMI、VGA和多个USB 3.2输出端口。它还提供千兆以太网LAN端口。在这里，可以使用PI3USB31532 USB Type-C crossbar switch或PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2/DisplayPort 1.4有源crossbar来处理USB 3.2和DisplayPort交换。图中所示的电源开关使基座能够通过VBUS引脚向主机供电。DP开关（例如PI3WVR31310A）的输出要么直接发送到DP连接器，要么通过HDMI或VGA转换器分别传输到HDMI和VGA连接器。

Conclusion

结论

设备设计师必须面对USB-C端口的复杂性，才能充分利用最新的USB电源和数据功能，包括高达100W的电源传输、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用于处理数据交换、电源切换、充电控制和电缆定向检测，简化了设计，简化了产品认证，节省了电路板空间和材料成本。