Usb-type-C端口實現的挑戰與設計方案

USB Type-C port implementation challenges and design solutions

USB from 1.1 to 3.2 and Beyond

通用串行總線（universal serial bus，USB）于1996年首次推出，它統一了多種不同類型連接的角色，在計算和消費類科技產品中無處不在。它的到來使得連接多個外圍設備，如鍵盤、鼠標、打印機、相機、外置驅動器或其他設備，都可以輕松方便地連接到計算機上。外圍設備不再由接口定義，用戶也不再需要處理多種電纜類型來連接他們想要使用的設備。 USB1.1允許的最大數據速率為12Mbps。usb2.0將標準提高到480Mbps，以處理各種角色，包括流式視頻和從外部設備快速傳輸數據到PC硬盤。通過指定的VBU和接地引腳，USB接口可在5V直流電下提供高達2.5W的電源，用戶還可以為小型設備（如外部驅動器）供電，或為筆記本電腦和移動電話充電，而無需額外的電源連接。2007年，智能手機行業要求手機的USB充電接口允許從標準的USB Type-a插座充電，并避免因廢棄的專用充電器而造成的電氣浪費負擔。

清視頻系統，這些系統需要將內容投射到越來越大的屏幕大小，并與高速的千兆存儲驅動器交換數據。新的標準如6Gbps的HDMI、8.1Gbps的DisplayPort和20Gbps的Thunderbolt等都出現了，以應對不斷增長的需求。

為了保住USB的通用王冠，USB實施者論壇（USB-IF）首先介紹了USB 3.2規范，該規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）。這些產品以超高速USB 5Gbps、超高速USB 10Gbps和超高速USB 20Gbps向消費者銷售。

最近，USB4被指定支持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，引入了包括面向連接的隧道體系結構在內的變化，允許在同一物理接口上組合多個協議，并共享USB4結構的總體速度和性能。

Upgrading the Physical Connection

升級物理連接

為了支持新的雙通道高速規范，同時允許向后兼容舊的usb2.0設備，需要一個新的物理接口。USB Type-C（USB-C）接口不僅包含兩組差分數據通道的更多連接和并行運行的USB 2.0總線，而且還添加了支持USB電源傳輸（USB PD）規范的功能。這些功能包括兩組電源和接地引腳以及一個通信通道，通過該通道連接的設備可以協商其功耗需求和電源能力，范圍從傳統的USB 2.0 5V到最新的20V/5A規格。此外，還包括額外的邊帶使用（SBU），以允許未來的性能增強和新功能。

Figure 1. USB-C Connector Pins

USB-C從用戶的角度簡化了連接設備。連接器是非極化的，允許電纜向上插入；因此，USB-C連接器現在有24個引腳，以滿足支持USB 3.2、USB4和USB電源傳輸（PD）所需的大量電源和數據連接，并允許向后兼容USB 2.0，如圖1所示。

此外，該接口是雙向的，允許電纜在每一端具有相同的連接器，并允許連接的設備充當主機或設備或電力消耗者或供應商。

Implementing USB-C

實現USB-C

由于這種額外的靈活性和對額外引腳的需求，USB-C接口比它的前輩復雜得多。連接的設備可以被分類為面向下游的端口（DFP或source）、面向上游的端口（UFP或Sink）或雙角色端口（DRP），這些端口能夠同時提供數據和電源。在每種情況下都需要邏輯來處理配置控制。還需要檢測電纜的插入方向，并正確切換信號，如USB 3.2和DisplayPort到USB-C連接器。此外，還需要USB2.0信號的多路復用、電源切換和充電控制，當然，還需要提供信號完整性和瞬態電壓保護。

一個設備，如筆記本電腦或平板電腦，可以包含電路，如圖2所示，提供一個功能齊全的USB-C接口，能夠處理USB3.2和多媒體數據以及USB PD功能。

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

雙向矩陣交換機（如圖2所示的二極管PI3USB31532）提供了一個完全集成的解決方案，能夠通過USB-C連接器多路復用USB 3.2 Gen2（單通道，10Gbps超高速+）和/或多達四個通道的DisplayPort 1.4信號以及輔助通道。該交換機具有低插入損耗和8.3GHz的寬3dB帶寬，以確保信號保真度高達10Gbps。

除了支持上述PI5USB31532功能外，還可以使用有源mux，如6通道4通道PI3DPX1205A1。這個mux集成了一個ReDriver功能來驅動更長的距離。包括接收端線性均衡和輸出設置的平坦增益和均衡，確保了兩倍的信號完整性的可比CMOS紅河。

USB電源傳輸功能通過PD控制器執行，該控制器允許通過USB Type-C連接器提供高達100W的功率，并通過USB Type-C接口啟用多媒體數據的替代模式，如DP或Thunderbolt。

像PI5USB2546A這樣的設備集成了充電端口控制和2.4A電源開關以及usb2.0d+和D-數據線的交換。該部件支持USB電池充電1.2規范，包括充電下游端口（CDP）和專用充電端口（DCP）模式，可用于墻壁充電適配器以及主機和集線器設備。

Figure 3. Implementing USB-C in Smartphones

圖3顯示了一個適用于智能手機的USB-C端口實現。該電路以二極管PI5USB31213A為例，該二極管集成了USB Type-C配置通道控制器功能和USB 3.2 Gen2 10Gbps復用功能，以便將正確的數據傳輸到非極化USB Type-C連接器。該設備根據CC引腳上檢測到的電壓水平處理主機模式、設備模式或雙角色端口的自動配置。它還提供連接器方向檢測以及通過USB Type-C接口協商充電電流。或者，可以使用諸如PI3EQX10312之類的設備。這包含了PI5USB31213A中包含的所有功能，唯一的變化是包含了一個ReDriver，以支持行駛更長的跟蹤距離。

Figure 4. USB-C Dock

作為最后一個示例，圖4展示了一個通用擴展底座，它通過單個USB Type-C端口連接到上游主機，并為下游設備（如監視器和外部存儲器）提供DisplayPort、HDMI、VGA和多個USB 3.2輸出端口。它還提供千兆以太網LAN端口。在這里，可以使用PI3USB31532 USB Type-C crossbar switch或PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2/DisplayPort 1.4有源crossbar來處理USB 3.2和DisplayPort交換。圖中所示的電源開關使基座能夠通過VBUS引腳向主機供電。DP開關（例如PI3WVR31310A）的輸出要么直接發送到DP連接器，要么通過HDMI或VGA轉換器分別傳輸到HDMI和VGA連接器。

Conclusion

結論

設備設計師必須面對USB-C端口的復雜性，才能充分利用最新的USB電源和數據功能，包括高達100W的電源傳輸、USB 3.2和USB4數據速率以及多協議支持。多種集成解決方案可用于處理數據交換、電源切換、充電控制和電纜定向檢測，簡化了設計，簡化了產品認證，節省了電路板空間和材料成本。

總結

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