USB Type-C 端口实现挑战和设计解决方案

USB 从 1.1 到 3.2 及更高版本

通用串行总线 (USB) 于 1996 年首次推出，统一了多种不同类型连接的作用，在计算和消费科技产品中无处不在。它的到来使得将键盘、鼠标、打印机、相机、外置驱动器等多个外围设备连接到计算机变得容易和方便。外围设备不再由其接口定义，用户不再需要处理多种电缆类型来连接他们想要使用的设备。

USB 1.1 允许的最大数据速率为 12Mbps。 USB 2.0 将标准提高到 480Mbps，以处理各种角色，包括流式传输视频和将数据从外部设备快速传输到 PC 硬盘驱动器。通过指定的 VBUS 和接地引脚在 5V DC 下提供高达 2.5W 的功率，USB 接口还使用户能够为小型设备（如外部驱动器）供电，或者为笔记本电脑和手机充电，而无需额外的电源连接。 2007年，智能手机行业强制要求为手机提供USB充电接口，允许从标准USB Type-A插座充电，避免因专用充电器丢弃而造成的电力浪费。

当今的消费趋势要求智能产品中的嵌入式系统具有更高的互连带宽，例如需要将内容投射到越来越大的屏幕尺寸并与高速多千兆位存储驱动器交换数据的流媒体高清和 4K 超高清视频系统。 6Gbps 的 HDMI、8.1Gbps 的 DisplayPort 和 20Gbps 的 Thunderbolt 等新标准应运而生，以应对日益增长的需求。

为了保住 USB 的通用王冠，USB 实施者论坛 (USB-IF) 首次推出了 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 利用双车道物理接口）。它们以 SuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps 和 SuperSpeed USB 20Gbps 的形式面向消费者销售。

最近，USB4 已被指定支持 20Gbps (USB4 20Gbps) 和 40Gbps (USB4 40Gbps) 传输速率。向后兼容 USB 3.2、USB 2.0 和 Thunderbolt 3，USB4 引入了一些变化，包括面向连接的隧道架构，允许在同一物理接口上组合多个协议并共享 USB4 结构的整体速度和性能。

升级物理连接

为了支持新的双通道高速规范，同时允许与传统 USB 2.0 设备向后兼容，需要一个新的物理接口。 USB Type-C (USB-C) 接口不仅为两组差分数据通道和并行运行的 USB 2.0 总线集成了更多连接，而且还增加了支持 USB Power Delivery (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，连接的设备可以通过该通道协商其功耗需求和电源能力，范围从传统 USB 2.0 5V 到最新的 20V/5A 规范。还包括额外的边带使用 (SBU)，以支持未来的性能增强和新功能。

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图 1. USB-C 连接器引脚（来源：Diodes Inc.）

从用户的角度来看，USB-C 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 供电 (PD) 所需的大量电源和数据连接，并允许向后兼容 USB 2.0，如图所示在图 1 中。

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源消费者或供应商。

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 接口比其前身复杂得多。连接的设备可分为面向下游的端口（DFP 或源）、面向上游的端口（UFP 或接收器）或能够同时提供和接收数据和电源的双角色端口 (DRP)。在每种情况下都需要逻辑来处理配置控制。还需要检测线缆的插入方向并正确切换信号，例如 USB 3.2 和 DisplayPort 到 USB-C 连接器。此外，还需要 USB 2.0 信号的多路复用、电源开关和充电控制，当然，还需要提供信号完整性和瞬态电压保护。

笔记本电脑或平板电脑等设备可以包含电路，如图 2 所示，以提供功能齐全的 USB-C 接口，能够处理 USB 3.2 和多媒体数据以及 USB PD 功能。

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图 2. 支持 USB 3.2 多媒体和 USB PD 的 USB-C 接口（来源：Diodes Inc.）

Diodes PI3USB31532 等双向矩阵开关提供了一个完全集成的解决方案，能够多路复用 USB 3.2 Gen2（单通道，10Gbps SuperSpeed+）和/或最多四个 DisplayPort 1.4 信号通道以及辅助通道通过USB-C 连接器。该开关采用低插入损耗设计，8.3GHz的-3dB宽带宽，保证高达10Gbps的信号保真度。

除了支持上述 PI5USB31532 功能外，还可以使用有源多路复用器，例如 6 通道 4 通道 PI3DPX1205A1。该多路复用器结合了 ReDriver 功能以驱动更远的距离。包括接收侧线性均衡和平坦增益和均衡输出设置在内的功能确保了同类 CMOS 转接驱动器的信号完整性加倍。

USB 供电功能是通过 PD 控制器执行的，它允许通过 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，例如 DP 或 Thunderbolt。

PI5USB2546A 等设备集成了充电端口控制和 2.4A 电源开关以及 USB 2.0 D+ 和 D- 数据线的开关。该器件支持USB Battery Charging 1.2规范，包括充电下行端口（CDP）和专用充电端口（DCP）模式，可用于壁式充电适配器以及主机和集线器设备。

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图 3. 在智能手机中实现 USB-C（来源：Diodes Inc.）

图 3 显示了适用于智能手机的 USB-C 端口实现。该电路以 Diodes PI5USB31213A 为例，它结合了 USB Type-C 配置通道控制器功能和 USB 3.2 Gen2 10Gbps 多路复用功能，以将正确的数据传输到非极化 USB Type-C 连接器。该器件根据在 CC 引脚上检测到的电压电平来处理主机模式、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 PI5USB31213A 中包含的所有功能，唯一的变化是包含一个 ReDriver 以支持更长的跟踪距离。

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图 4. USB-C 扩展坞（来源：Diodes Inc.）

作为最后一个示例，图 4 展示了一个通用扩展坞，它通过单个 USB Type-C 端口连接到上游主机，并为下游设备（例如显示器和外部设备）提供 DisplayPort、HDMI、VGA 和多个 USB 3.2 输出端口贮存。它还提供了一个千兆以太网 LAN 端口。在这里，PI3USB31532 USB Type-C 交叉开关或 PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 有源交叉开关等设备可用于处理 USB 3.2 和 DisplayPort 开关。图中所示的电源开关使扩展坞能够通过 VBUS 引脚为主机供电。 DP 开关（例如 PI3WVR31310A）的输出要么直接进入 DP 连接器，要么通过 HDMI 或 VGA 转换器分别连接到 HDMI 和 VGA 连接器。

结论

设备设计人员必须面对 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 的功率传输、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切换、电源切换、充电控制和电缆方向检测，从而简化设计并简化产品认证，并节省电路板空间和物料清单成本。