USB Type-C 端口實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)解決方案

USB 從 1.1 到 3.2 及更高版本

通用串行總線 (USB) 于 1996 年首次推出，統(tǒng)一了多種不同類型連接的作用，在計(jì)算和消費(fèi)技術(shù)產(chǎn)品中無(wú)處不在。它的出現(xiàn)使得將鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、相機(jī)、外置驅(qū)動(dòng)器等多種外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)變得簡(jiǎn)單方便。外圍設(shè)備不再由它們的接口定義，用戶不再需要處理多種電纜類型來(lái)連接他們想要使用的設(shè)備。

USB 1.1 允許的數(shù)據(jù)速率為 12Mbps。USB 2.0 將標(biāo)準(zhǔn)提高到 480Mbps 以處理廣泛的角色，包括流式視頻和將數(shù)據(jù)從外部設(shè)備快速傳輸?shù)?PC 硬盤驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)指定的 VBUS 和接地引腳在 5V DC 下提供高達(dá) 2.5W 的功率，USB 接口還使用戶能夠?yàn)樾⌒驮O(shè)備（例如外部驅(qū)動(dòng)器）供電，或者為筆記本電腦和手機(jī)充電而無(wú)需額外的電源連接。2007 年，智能手機(jī)行業(yè)強(qiáng)制要求手機(jī)的 USB 充電接口允許從標(biāo)準(zhǔn) USB Type-A 插座充電，并避免因丟棄專用充電器而造成的電力浪費(fèi)負(fù)擔(dān)。

當(dāng)今的消費(fèi)趨勢(shì)要求智能產(chǎn)品中嵌入式系統(tǒng)的互連帶寬更高，例如流式高清和 4K 超高清視頻系統(tǒng)需要將內(nèi)容投射到越來(lái)越大的屏幕尺寸并與高速數(shù)千兆位存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器交換數(shù)據(jù)。6Gbps 的 HDMI、8.1Gbps 的 DisplayPort 和 20Gbps 的 Thunderbolt 等新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的需求。

為了保留 USB 的通用王冠，USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 首先推出了 USB 3.2 規(guī)范，該規(guī)范確定了三種傳輸速率：USB 3.2 Gen1 (5Gbps)、USB 3.2 Gen2 (10Gbps) 和 USB 3.2 Gen2x2 (20Gbps 利用雙通道物理接口）。這些產(chǎn)品以 SuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps 和 SuperSpeed USB 20Gbps 的形式銷售給消費(fèi)者。

近，USB4 已指定支持 20Gbps (USB4 20Gbps) 和 40Gbps (USB4 40Gbps) 傳輸速率。USB4 向后兼容 USB 3.2、USB 2.0 和 Thunderbolt 3，引入了一些變化，包括面向連接的隧道架構(gòu)，該架構(gòu)允許多個(gè)協(xié)議組合在同一物理接口上，并共享 USB4 結(jié)構(gòu)的整體速度和性能。

升級(jí)專線

為了支持新的雙通道高速規(guī)范，同時(shí)允許向后兼容傳統(tǒng)的 USB 2.0 設(shè)備，需要一個(gè)新的物理接口。USB Type-C (USB-C) 接口不僅為兩組差分?jǐn)?shù)據(jù)通道和并行運(yùn)行的 USB 2.0 總線集成了更多連接，還增加了支持 USB Power Delivery (USB PD) 規(guī)范的功能。這些功能包括兩組電源和接地引腳以及一個(gè)通信通道，連接的設(shè)備可以通過(guò)該通道協(xié)商其功耗需求和電源能力，范圍從傳統(tǒng)的 USB 2.0 5V 到的 20V/5A 規(guī)范。還包括額外的邊帶使用 (SBU)，以支持未來(lái)的性能增強(qiáng)和新功能。

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圖 1. USB-C 連接器引腳（：Diodes Inc.）

USB-C 從用戶的角度簡(jiǎn)化了連接設(shè)備。連接器是非極化的，允許電纜向上插入；因此，USB-C 連接器現(xiàn)在有 24 個(gè)引腳，以滿足支持 USB 3.2、USB4 和 USB 供電 (PD) 所需的大量電源和數(shù)據(jù)連接，并允許向后兼容 USB 2.0，如圖所示在圖 1 中。

此外，接口是雙向的，允許電纜在每一端都有相同的連接器，并允許連接的設(shè)備充當(dāng)主機(jī)或設(shè)備或電力消費(fèi)者或供應(yīng)商。

實(shí)施 USB-C

由于這種額外的靈活性和對(duì)額外引腳的需求，USB-C 接口比其前身復(fù)雜得多。連接的設(shè)備可分為下行端口（DFP 或源）、上行端口（UFP 或接收器）或雙角色端口 (DRP)，能夠提供和接收數(shù)據(jù)和電源。在每種情況下都需要邏輯來(lái)處理配置控制。還需要檢測(cè)線纜的插入方向并正確切換信號(hào)，例如 USB 3.2 和 DisplayPort 到 USB-C 連接器。此外，還需要 USB 2.0 信號(hào)的多路復(fù)用、電源切換和充電控制，當(dāng)然還需要信號(hào)完整性和瞬態(tài)電壓保護(hù)措施。

筆記本電腦或平板電腦等設(shè)備可以包含如圖 2 所示的電路，以提供功能齊全的 USB-C 接口，能夠處理 USB 3.2 和多媒體數(shù)據(jù)以及 USB PD 功能。

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圖 2. 支持 USB 3.2 多媒體和 USB PD 的 USB-C 接口（：Diodes Inc.）

雙向矩陣開關(guān)，例如圖 2 中所示的 Diodes PI3USB31532，提供了一個(gè)完全集成的解決方案，能夠多路復(fù)用 USB 3.2 Gen2（單通道，10Gbps SuperSpeed+）和/或多達(dá)四個(gè)通道的 DisplayPort 1.4 信號(hào)以及輔助通道USB-C 連接器。該開關(guān)設(shè)計(jì)具有低插入損耗和 8.3GHz 的寬 -3dB 帶寬，可確保高達(dá) 10Gbps 的信號(hào)保真度。

除了支持上述 PI5USB31532 功能外，還可以使用有源多路復(fù)用器，例如 6 通道 4 通道PI3DPX1205A1 。該多路復(fù)用器結(jié)合了 ReDriver 功能以驅(qū)動(dòng)更遠(yuǎn)的距離。包括接收端線性均衡和平坦增益和均衡輸出設(shè)置在內(nèi)的功能確保了同類 CMOS 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)完整性的兩倍。

USB Power Delivery 功能通過(guò) PD 控制器執(zhí)行，它允許通過(guò) USB Type-C 連接器傳輸高達(dá) 100W 的功率，并通過(guò) USB Type-C 接口啟用多媒體數(shù)據(jù)的替代模式，例如 DP 或 Thunderbolt。

PI5USB2546A等設(shè)備集成了充電端口控制和 2.4A 電源開關(guān)以及 USB 2.0 D+ 和 D- 數(shù)據(jù)線的切換。該器件支持 USB 電池充電 1.2 規(guī)范，包括充電下游端口 (CDP) 和專用充電端口 (DCP) 模式，可用于壁式充電適配器以及主機(jī)和集線器設(shè)備。

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圖 3. 在智能手機(jī)中實(shí)施 USB-C（：Diodes Inc.）

圖 3 顯示了適用于智能手機(jī)的 USB-C 端口實(shí)現(xiàn)。該電路以 Diodes PI5USB31213A為例，它結(jié)合了 USB Type-C 配置通道控制器功能以及 USB 3.2 Gen2 10Gbps 多路復(fù)用功能，以向非極化 USB Type-C 連接器啟用正確的數(shù)據(jù)。該器件根據(jù)在 CC 引腳上檢測(cè)到的電壓電平處理主機(jī)模式、設(shè)備模式或雙重角色端口的自動(dòng)配置。它還提供連接器方向檢測(cè)以及通過(guò) USB Type-C 接口協(xié)商充電電流?；蛘撸T如PI3EQX10312之類的設(shè)備可用于。這包含 PI5USB31213A 中包含的所有功能，的變化是包含 ReDriver 以支持驅(qū)動(dòng)更長(zhǎng)的走線距離。

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圖 4. USB-C 基座（：Diodes Inc.）

作為一個(gè)示例，圖 4 展示了一個(gè)通用塢站，它通過(guò)單個(gè) USB Type-C 端口連接到上游主機(jī)，并為下游設(shè)備（例如顯示器和外部設(shè)備）提供 DisplayPort、HDMI、VGA 和多個(gè) USB 3.2 輸出端口貯存。它還提供千兆以太網(wǎng) LAN 端口。在這里， PI3USB31532 USB Type-C 交叉開關(guān)或PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 有源交叉開關(guān)等設(shè)備可用于處理 USB 3.2 和 DisplayPort 切換。圖中所示的電源開關(guān)使擴(kuò)展塢能夠通過(guò) VBUS 引腳為主機(jī)供電。DP 開關(guān)（例如 PI3WVR31310A）的輸出直接進(jìn)入 DP 連接器或通過(guò) HDMI 或 VGA 轉(zhuǎn)換器分別連接到 HDMI 和 VGA 連接器。

結(jié)論       

設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須面對(duì) USB-C 端口的復(fù)雜性，以充分利用的 USB 電源和數(shù)據(jù)功能，包括高達(dá) 100W 的功率傳輸、USB 3.2 和 USB4 數(shù)據(jù)速率以及多協(xié)議支持。各種集成解決方案可用于處理數(shù)據(jù)切換、電源切換、充電控制和電纜方向檢測(cè)，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化產(chǎn)品，并節(jié)省電路板空間和物料清單成本。