USB Type C技術和方案全面解讀

2021-01-09 電子產品世界

　　一條USB數據線無非就是一條線加兩個頭，這看似簡單，但卻沒有想像中的簡單，小小的數據線，隱藏著許多你可能不知道的知識，而USB Type-C的橫空問世更是說明了不能小瞧它。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366450.htm

　　正反向可接插的USB　Type-C連接器可減少插接USB設備時的麻煩，USB Type-C也對如下技術提供支持：數據速率高達10Gbit/s的USB3.1規範、高達100W的功率輸出、音頻多路復用，以及可處理諸如與DisplayPort或MHL等視頻信號的切換模式。

　　因此，數以百計的供應商正在推出支持USB Type-C的產品就不足為奇了。事實上，來自從連接線纜到筆記本電腦等許多領域的一百多家供應商參加了於2015年7月舉行的第一屆USB Type-C互連互通性測試，以對其產品和原型的互操作性進行了測試。

　　儘管目前業界已與USB打了幾十年的交道，但實現Type-C連接仍然帶來了諸多新的挑戰。例如，當以10Gbit/s的數據速率運行時，數據線上的電壓擺幅是低於0.5V的。設計者需要在連接接收端的物理層（PHY）裡實現均衡器，來獲取輸入信號，這時，該信號眼圖中的「眼睛」基本是閉合的，而需要實施必要的均衡以使信號眼圖中的「眼睛」張開，同時，顯示信號代表的是邏輯0或者邏輯1。

　　在實現Type-C連接時仍有許多其他挑戰，尤其是在USB3.1規範以10Gbit/s的全數據速率工作時最甚。

　　USB Type-C介紹：

　　1、超薄

　　更薄的機身需要更薄的埠，這也是USB-C橫空出世的原因之一。USB-C埠長0.83釐米、寬0.26釐米。老式USB埠長1.4釐米、寬0.65釐米已經顯得過時。這也意味著USB-C數據線的末端將是標準USB-A型數據線插頭尺寸的三分之一。

　　2、無正反

　　像蘋果的Lightning接口一樣，USB-C埠正面和反面是相同的。也就是說無論你怎麼插入這一埠都是正確的。用戶不必擔心傳統USB埠所帶來的正反問題。

　　3、快速

　　理論上，USB-C埠的最高傳輸速率為每秒10Gb。但是蘋果表示新款MacBook的USB-C埠最高傳輸速率為5Gbps。最大輸出電壓為20伏，可以加快充電時間。 而USB-A型，到目前為止極限傳輸速率為5Gbps，輸出電壓為5伏。

　　4、多面手

　　新MacBook的USB-C型埠能夠傳輸數據、進行充電也可以作為視頻輸出埠連結外部顯示設備。唯一的疑問是蘋果如何滿足想要同時做這三件事的用戶。

　　5、雙向

　　USB Type-C 不像老款USB埠，功率只能單向傳輸，USB-C型埠的功率傳輸是雙向的，這意味著它可以擁有兩種發送功率方式。所以，用戶不僅可以用筆記本為行動裝置充電，也可以利用其它設備或移動電源為筆記本充電。

　　6、後向兼容

　　USB-C可以與老的USB標準兼容，但用戶需要額外購買適配器才能完成兼容。蘋果公司表示不僅蘋果官方會出售適配器，第三方公司也可以授權生產。

　　開發USB Type-C還需要注意哪些問題？

　　重新考慮PHY

　　例如，連接器的可正反插接特性需要在實現中對物理層進行重構。當以USB2.0數據速率運行時，設計者可通過使用一對電阻去短接進入物理層的兩條數據通路，從而去明示連接器以何種方式被插接。在較低的USB2.0數據速率上，物理層擁有足夠的性能裕量來處理短接數據通路所引發的反射。

　　對於USB3.0和USB3.1數據速率而言，設計者需要實現兩條數據通路，以處理更高的速率。通過一個方向上的連接器，系統連接到一條數據通路上，同時在另一個方向上，系統連接到另一條數據通路上。雙數據通路是必要的，因為以5Gbit/s和10Gbit/s數據速率傳輸時，通過短接數據通路來明確方向，將會引發太多的信號反射，從而使數據分解。

　　設計者需要決定如何解決這個問題。一種解決方案是使用兩個物理層，每個方向有一個物理層。雙物理層解決方案的缺點是會佔用20%到25%的額外面積，來實現兩條超高速（SuperSpeed）數據通路和兩條高速（Hi-Speed）數據通路，而且需要兩組鎖相環電路（PLL）及兩組電源、接地和數據引腳。最終結果是一個系統擁有的高速（High-Speed）數據通路比其實際需求多出一條。

　　一種更高效的實現方法，是使用一個已經針對USB Type-C規範優化過的物理層，其擁有兩條超高速（SuperSpeed）數據通路、一條高速（Hi-Speed）數據通路、一組鎖相環電路以及一組電源、接地和數據引腳。

　　設計者選擇何種實現方法取決於他們的最終應用。成本敏感類市場將選擇節省面積和晶片，可通過省去一條額外的Hi-Speed數據通路以及減少高達40%的引腳數量來實現。

　　USB Type-C信令

　　實現USB Type-C的第二項挑戰是24引腳連接器所要求的信號複雜性。USB Type-C規範明確了配置通道（CC）信號和功率輸出（PD）信號以定義各項參數，例如連接器的方向，任何插入Type-C埠的電線可以承載多大的功率，以及連接器何時是為音視頻而處於切換模式。

　　同時支持配置通道信號與功率輸出信號要求附加的邏輯：功率輸出消息控制器和配置通道邏輯。設計挑戰的一部分是處理可能發生在不同電壓上的兩種信號，這取決於當時工作的信號組合。

　　Type-C規範也摒棄了USB On-The-Go概念，而是以Dual Role Port概念取而代之。USB On-The-Go是一種信令方式，用於表明一個埠是被用作主機還是被用作設備。On-The-Go協議使用ID引腳發出信號來通知埠在工作時擔任主機還是設備；但是Type-C並沒有這個信號，所以要使用功率輸出消息信號來完成這項工作，這使PD信號的實現進一步複雜化。

　　系統性問題

　　Type-C連接器可以使USB用戶的生活更加便利，但付出的代價是使設計者的工作變得更加複雜。設計者將不得不決定他們想要的是支持USB2.0、3.0和/或3.1中的哪一個，怎樣處理功率輸出，以及是否支持音視頻可切換模式。

　　USB Type-C的實現還會有系統方面的影響。例如，倘若SoC打算支持功率輸出方面的功能，設計者可以選擇使用一種滿足所有相關安全條件的外部電源管理晶片。這意味著將分割功率輸出和配置通道邏輯，也許在物理層和一塊單獨的電源管理晶片，或主系統CPU甚至一個專用的外部微控制器之間分割。

　　Synopsys 全面的USB控制器和物理層IP產品組合，已經被3000多項USB設計成功採用，並且已經通過約30億隻已發貨的器件加以驗證。這就是深入而直接的設計經驗，使我們能夠開發特別為與Type-C連接器共同使用而優化的USB3.1物理層IP，以及為了實現Type-C功能所必需的支持工具和驗證環境——這使得設計者的工作更加簡便。

　　「線」的問題

　　USB除了可以用來傳輸數據之外，還可以作為電力供應的手段。而最初的USB標準由於並不具備電力供應能力，因此USB 1.0及2.0的電力供應能力僅限於2.5w（0.5A/5v）。雖然這足以供應手機等小型電子設備，但是對於外界驅動器來說，顯然遠遠不夠。而USB 3.0就應運而生，它的供應值可達4.5w（0.9a/5v）。

　　而在USB 3.1標準下的USB Type-C接口的供電能力可以達到最高20V/5A，也就是100w，不僅可以滿足手機充電的要求，還能夠滿足平板設備和計算機的充電需求；另外，在這種供電能力下，也可以免去其他用電功率較高的外部設備需要另接電源的麻煩。

　　另外，關於USB Type-C供電範圍還有一些問題需要說明。其中有好也有不足。好消息是，USB PD 2.0標準未來可以直接為筆記本或平板電腦供電，同時還可以讓智慧型手機作為作為移動電源使用。

　　另一方面不好的消息就是，暫時還沒有所謂的全能USB線纜問世，這些線纜需要內置特殊的晶片，裡面包含了關於線纜的信息。全功能的USB線纜需要能夠承受1.5a或5v的電流，而這樣的線纜造價要比普通的USB線纜高出許多。

　　Type-C晶片廠商以及產品方案

　　萊迪思（Lattice）：

　　德州儀器（TI）：

　　TPS65982

　　-USB Type-C USB PD Controller

　　-Power Switch High Speed Multiplexer

　　HD3SS460

　　-4 x 6 Channels USB Type-C™ Alternate Mode MUX

　　-Compatible for Source/Host and Sink/Device Applications

　　意法半導體（STMicroelectronics，簡稱ST）：

　　STUSB16接口晶片採用意法半導體的20V製造工藝，集成短路、過壓、過流等保護功能，無需加設外部電路，此外還提供電流設定值最高600mA的插接功率支持（VCONN），按照USB 供電規範（USB Power Delivery），集成雙相標記編碼（BMC，Bi-Phase Mark Coded）物理層（PHY，Physical Layer）的編碼和解碼邏輯電路。

　　賽普拉斯（Cypress）：

　　EZ-PD™ CCG1： Industry’s First Programmable Type-C Port Controller

　　EZ-PD™ CCG2： Industry’s Smallest Programmable Type-C Cable Controller

　　矽谷數模半導體公司（Analogix Semiconductor， Inc.）：

　　ANX7428，完美適用於基於X86的筆記本-4通道DisplayPort接口和USB超高速切換開關、DisplayPort交替模式、USB-C埠控制器和Power Delivery

　　ANX7418，完美適用於基於ARM的智慧型手機、平板電腦和運動型相機–兩通道DisplayPort接口和USB超高速切換開關、搭載SlimPort發射器的DisplayPort交替模式、USB-C埠控制器和Power Delivery

　　ANX7408-USB超高速切換開關，搭載USB-C埠控制器和Power Delivery

　　ANX7409-USB超高速切換開關，搭載USB-C埠控制器

　　ANX7401-USB-C埠控制器和Power Delivery

　　ANX7403-USB-C埠控制器。


　　創惟科技：

　　高性能USB Type-C™ SuperSpeed 集線器控制晶片GL3523S

　　恩智浦半導體（NXP）：

　　譜瑞科技：

　　該公司推出PS 8750與PS 8751兩款整合型主動開關晶片，不僅可簡化設計、降低成本，同時也可縮小系統尺寸。

　　PS 8750與PS 8751兩款開關晶片整合了高速訊號Redriver線路、USB Power Delivery Controller和傳輸埠控制器（Port Controller），並支援USB Type-C電源（Power）傳輸等功能，為多功能整合晶片。此外，該晶片符合USB3.1 Gen 1規範，傳輸速率可達5Gbit/s，同時支援DisplayPort Alt Mode，傳輸速率高達5.4Gbit/s。

　　Type-c連接器產商及產品方案

　　富士康（FOXCONN）：

　　在眾多廠商搶佔晶片領域時，富士康則另找渠道，從連接器入手，迅速搶佔USB Type-c另一高點。如下是富士康針對USB Type-c連接器的部分產品列表：

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富士康連接器 主要選型參數

如果想要全面了解細節參數，可以從下面連結獲取規格書和樣品測試

　　Foxcoon Type-C 連接器 資料獲取
UT12113-11601-7H
規格書下載：http://pdf.elecfans.com/Foxconn/UT00411-10002-7H.html
樣品 申請：http://www.hqchip.com/gongsi/sample_1390_866126.html
報 價：http://www.hqchip.com/UT12113-11601-7H.html

UT00311-10002-7H
規格書下載：http://pdf.elecfans.com/Foxconn/UT00311-10002-7H.html
樣品 申請：http://www.hqchip.com/gongsi/sample_1390_866127.html
報 價：http://www.hqchip.com/UT00311-10002-7H.html

UT00313-10002-7H
規格書下載：http://pdf.elecfans.com/Foxconn/UT00313-10002-7H.html
樣品 申請：http://www.hqchip.com/gongsi/sample_1390_866128.html

UT00413-10002-7H
規格書下載：http://pdf.elecfans.com/Foxconn/UT00413-10002-7H.html
樣品 申請：http://www.hqchip.com/gongsi/sample_1390_866129.html

UT12123-1A501-7H
規格書下載：http://pdf.elecfans.com/Foxconn/UT12123-1A501-7H.html
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UT11123-1A502-7H
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UT11113-11602-7H
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UT00411-10002-7H
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　　Type-C連接器 應用方案

　　http://www.hqchip.com/fangan/31.html

　　http://www.hqchip.com/fangan/30.html

　　http://www.hqchip.com/fangan/21.html

　　http://www.hqchip.com/fangan/20.html

　　http://www.hqchip.com/fangan/19.html

　　http://www.hqchip.com/fangan/18.html

如果還有更多的想法和問題，可以諮詢華強芯城 資深產品經理：



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