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导入 USB Type-C 连接埠的挑战及设计解决之道
 

【作者: Kay Annamalai】2021年05月27日 星期四

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USB Type-C介面具有前所未见的强大支援功能,但也比前几代复杂许多,需要以系统级格局支援导入,才能获得理想的成本效益。


从 USB 1.1 到 USB 3.2 及後续发展

自 1996 年首次问世以来,通用序列汇流排(USB)即统合多种不同类型连线的角色,并已普遍使用於运算型与消费性科技产品。由於它的出现,各周边装置如键盘、滑鼠、印表机、相机、外接式硬碟或其他装置,可轻松快速连接至电脑。自此之後,周边装置的定义不再取决於其介面,用户使用装置时也不需费力准备多种连接线。


USB 1.1 资料传输的最高速率为 12Mbps;USB 2.0 为了满足多种角色功能,包括播放串流视讯,以及将外接式硬碟资料快速传输至个人电脑硬碟等,此时最高速率已提升到 480Mbps。USB 的特定 VBUS 及接地引脚可供应最高 2.5W 功率(直流电压 5V),因此外接式硬碟等小型装置可透过 USB 介面获得所需电力;笔记型电脑及行动电话也能透过该介面充电,无需连接其他电源供应器。2007年,智慧型手机业者导入手机USB充电介面,手机可经由标准 USB Type-A 接囗充电,减少专用充电器的废弃量。


现今消费趋势下,智慧产品的嵌入式系统必须具备更大连线频宽(例如高解析与 4K 超高解析串流视讯系统需投放至更大的萤幕,并和 GB 级高速硬碟交换资料)。为了因应快速增长的需求,於是出现了6Gbps 的 HDMI、8.1Gbps 的 DisplayPort以及 20Gbps 的 Thunderbolt 等新标准。


为了维持 USB 的领先优势,USB 开发者论坛(USB-IF)率先发表 USB 3.2 规格,定义出三种传输速率:USB 3.2 Gen1(5Gbps)、USB 3.2 Gen2(10Gbps)及 USB 3.2 Gen2x2(利用双线路(dual-lane)实体介面的 20Gbps),在消费市场上的名称分别为 SuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps 以及 SuperSpeed USB 20Gbps。


最近,USB4的支援传输速率已指定为 20Gbps(USB4 20Gbps)与 40Gbps(USB4 40Gbps)。USB4 可向下相容 USB 3.2、USB 2.0 及 Thunderbolt 3;在 USB4 带来的变革中有一种连接导向通道结构,它允许数个协定整合於同一实体介面,并共享 USB4 结构的整体速度和性能。


实体连接方式升级

为了支援新的双线路高速规格以及向下相容 USB 2.0 设备,因此需要新的实体介面设计。USB Type-C(USB-C)介面设计纳入更多线路,供两组差分数据讯号通道及USB 2.0 并联运作汇流排使用,并新增 USB 电力传输(USB PD)规格的支援功能。这些支援功能包含两组电源及接地引脚、一个通讯讯号通道;连接至讯号通道的装置,可在旧 USB 2.0 5V 到最新 20V/5A 规格范围间协调用电需求及供电能力。另预留边带使用(SBU)线路,供未来提升性能或新增功能时使用。



图一 : USB-C 接囗引脚(source:Diodes Inc.)
图一 : USB-C 接囗引脚(source:Diodes Inc.)

USB-C 考量使用者需求,进一步简化连接器,接囗允许缆线以任何面向??接;USB-C 接囗有 24 只引脚,满足 USB 3.2、USB4 和 USB 电力传输(PD)规格下之大量电源及资料线路需求,并向下相容 USB 2.0,请见图一。


此外,双向介面设计容许缆线两端使用相同接囗,而且连接之设备可为主机或装置,也可以是用电者或供电者。


导入 USB-C

新的引脚带来更多弹性及需求,因此 USB-C 介面比以往的 USB 介面复杂许多。USB-C 连接的装置可分为下行埠(DFP、源头端)、上行埠(UFP、汇集端)或可作为资料和电力的源汇(source and sink)双用途埠(DRP)。每种埠的应用都需要逻辑控制配置。侦测缆线??入面方向及正确切换讯号也是必要的,例如 USB 3.2 和 DisplayPort 连至 USB-C 接囗时。此外针对 USB 2.0 讯号、电源开关与充电控制的多工处理,以及维持讯号完整性与暂态电压保护的必要措施, 也是不可或缺的。


图 2 显示笔记型电脑或平板电脑内部之完整 USB-C 介面电路,此介面可对应支援 USB 3.2 和多媒体资料以及 USB PD 功能。



图二 : 支援 USB 3.2 和多媒体资料以及 USB PD 的 USB-C 介面 (source:Diodes Inc.)
图二 : 支援 USB 3.2 和多媒体资料以及 USB PD 的 USB-C 介面 (source:Diodes Inc.)

图二中的双向矩阵开关(Diodes 公司 PI3USB31532)是具有多工处理能力的整合型解决方案,可针对 USB 3.2 Gen2 (单线路,10Gbps SuperSpeed+) 和/或 DisplayPort 1.4 数据通道 (最多 4 通道)、使用 USB-C 接囗的辅助通道进行多工处理。为确保在 10Gbps 速率时的讯号不失真,开关结合了低??入损耗和 8.3GHz 的 -3dB 大频宽设计。


除了支援上述 PI5USB31532 功能,还可使用 6 通道 4 线路 PI3DPX1205A 主动式多工器。此多工器具有 ReDriver? 功能,可驱动更远的传送距离。其功能包括接收端线性均等化以及针对平整增益和均等化的输出设定,确保讯号完整性是同级 CMOS ReDrivers 的两倍。


USB 电力传输功能是由 PD 控制器执行,该控制器可透过 USB Type-C 接囗提供高达 100W 的电力,并透过 USB Type-C 介面启用多媒体资料(如 DP 或 Thunderbolt)的替代模式。


以 PI5USB2546A 为代表,充电埠控制、2.4A 电源开关以及USB 2.0 D+ 与 D- 资料线切换等功能全部整合,并支援 USB 电池充电 1.2 规格,包括下行充电埠(CDP)和专用充电埠 (DCP) 模式,可用於墙面充电转接器以及主机与集线器设备。



图三 : 智慧型手机导入 USB-C (source:Diodes Inc.)
图三 : 智慧型手机导入 USB-C (source:Diodes Inc.)

图三显示智慧型手机的 USB-C 连接埠。此电路范例中使用 Diodes 公司 PI5USB31213A,包含 USB Type-C 配置通道控制器功能,以及 USB 3.2 Gen2 10Gbps 多工处理功能,可将资料正确送至非极化 USB Type-C 接囗。根据 CC 引脚上侦测到的电压位准,该装置会处理主机模式、装置模式或双用途埠的自动配置。它还能侦测接囗方向,并透过 USB Type-C 介面协调充电电流。另一个替代方案是 PI3EQX10312,它包含 PI5USB31213A 的所有功能,唯一的不同是多出一个 ReDriver,可驱动更长的追踪距离。



图四 : USB-C 扩充基座(source:Diodes Inc.)
图四 : USB-C 扩充基座(source:Diodes Inc.)

在最後的范例中(图四),一个通用扩充基座透过 USB Type-C 单连接埠接至上游主机,并设有 DisplayPort、HDMI、VGA 及多个 USB 3.2 输出埠连接下游装置 (如监视器和外接式硬碟),此外并提供 Gigabit 乙太网路连接埠。此处可以使用 USB Type-C 纵横式切换开关 PI3USB31532 或 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 主动式纵横切换开关 PI3DPX1205A 装置,执行 USB 3.2 与 DisplayPort 的切换。图中显示的电源开关让基座可透过 VBUS 引脚对主机电脑供电。DP 开关(例如 PI3WVR31310A)的输出可直接连接至DP接囗,或透过HDMI或 VGA转换器分别接至HDMI和VGA接囗。


结论

设备设计人员必须正视 USB-C 连接埠的复杂性,才能充分利用包括高达100W的电力传输、USB 3.2 和 USB4 资料速率,以及支援多协定在内的所有最新USB电源和资料功能。有多种整合解决方案可协助资料切换、电源开关、充电控制和缆线方向侦测,同时又能达到简化设计、降低产品认证难度,以及节省机板空间和总材料成本的目标。


(本文作者Kay Annamalai为Diodes 公司资深行销主管)


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