Usb-type-C端口实现的挑战与设计方案
Usb-type-C端口实现的挑战与设计方案
USB Type-C port implementation challenges and design solutions
USB from 1.1 to 3.2 and Beyond
通用串行总线(universal serial bus,USB)于1996年首次推出,它统一了多种不同类型连接的角色,在计算和消费类科技产品中无处不在。它的到来使得连接多个外围设备,如键盘、鼠标、打印机、相机、外置驱动器或其他设备,都可以轻松方便地连接到计算机上。外围设备不再由接口定义,用户也不再需要处理多种电缆类型来连接他们想要使用的设备。 USB1.1允许的最大数据速率为12Mbps。usb2.0将标准提高到480Mbps,以处理各种角色,包括流式视频和从外部设备快速传输数据到PC硬盘。通过指定的VBU和接地引脚,USB接口可在5V直流电下提供高达2.5W的电源,用户还可以为小型设备(如外部驱动器)供电,或为笔记本电脑和移动电话充电,而无需额外的电源连接。2007年,智能手机行业要求手机的USB充电接口允许从标准的USB Type-a插座充电,并避免因废弃的专用充电器而造成的电气浪费负担。
清视频系统,这些系统需要将内容投射到越来越大的屏幕大小,并与高速的千兆存储驱动器交换数据。新的标准如6Gbps的HDMI、8.1Gbps的DisplayPort和20Gbps的Thunderbolt等都出现了,以应对不断增长的需求。
为了保住USB的通用王冠,USB实施者论坛(USB-IF)首先介绍了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利用双通道物理接口)。这些产品以超高速USB 5Gbps、超高速USB 10Gbps和超高速USB 20Gbps向消费者销售。
最近,USB4被指定支持20Gbps(USB4 20Gbps)和40Gbps(USB4 40Gbps)传输速率。USB4向后兼容USB 3.2、USB 2.0和Thunderbolt 3,引入了包括面向连接的隧道体系结构在内的变化,允许在同一物理接口上组合多个协议,并共享USB4结构的总体速度和性能。
Upgrading the Physical Connection
升级物理连接
为了支持新的双通道高速规范,同时允许向后兼容旧的usb2.0设备,需要一个新的物理接口。USB Type-C(USB-C)接口不仅包含两组差分数据通道的更多连接和并行运行的USB 2.0总线,而且还添加了支持USB电源传输(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,通过该通道连接的设备可以协商其功耗需求和电源能力,范围从传统的USB 2.0 5V到最新的20V/5A规格。此外,还包括额外的边带使用(SBU),以允许未来的性能增强和新功能。
Figure 1. USB-C Connector Pins
USB-C从用户的角度简化了连接设备。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电源传输(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1所示。
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力消耗者或供应商。
Implementing USB-C
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接口比它的前辈复杂得多。连接的设备可以被分类为面向下游的端口(DFP或source)、面向上游的端口(UFP或Sink)或双角色端口(DRP),这些端口能够同时提供数据和电源。在每种情况下都需要逻辑来处理配置控制。还需要检测电缆的插入方向,并正确切换信号,如USB 3.2和DisplayPort到USB-C连接器。此外,还需要USB2.0信号的多路复用、电源切换和充电控制,当然,还需要提供信号完整性和瞬态电压保护。
一个设备,如笔记本电脑或平板电脑,可以包含电路,如图2所示,提供一个功能齐全的USB-C接口,能够处理USB3.2和多媒体数据以及USB PD功能。
Figure 2. USB-C Interface Supporting USB 3.2 Multimedia, and USB PD
双向矩阵交换机(如图2所示的二极管PI3USB31532)提供了一个完全集成的解决方案,能够通过USB-C连接器多路复用USB 3.2 Gen2(单通道,10Gbps超高速+)和/或多达四个通道的DisplayPort 1.4信号以及辅助通道。该交换机具有低插入损耗和8.3GHz的宽3dB带宽,以确保信号保真度高达10Gbps。
除了支持上述PI5USB31532功能外,还可以使用有源mux,如6通道4通道PI3DPX1205A1。这个mux集成了一个ReDriver功能来驱动更长的距离。包括接收端线性均衡和输出设置的平坦增益和均衡,确保了两倍的信号完整性的可比CMOS红河。
USB电源传输功能通过PD控制器执行,该控制器允许通过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,如DP或Thunderbolt。
像PI5USB2546A这样的设备集成了充电端口控制和2.4A电源开关以及usb2.0d+和D-数据线的交换。该部件支持USB电池充电1.2规范,包括充电下游端口(CDP)和专用充电端口(DCP)模式,可用于墙壁充电适配器以及主机和集线器设备。
Figure 3. Implementing USB-C in Smartphones
图3显示了一个适用于智能手机的USB-C端口实现。该电路以二极管PI5USB31213A为例,该二极管集成了USB Type-C配置通道控制器功能和USB 3.2 Gen2 10Gbps复用功能,以便将正确的数据传输到非极化USB Type-C连接器。该设备根据CC引脚上检测到的电压水平处理主机模式、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。这包含了PI5USB31213A中包含的所有功能,唯一的变化是包含了一个ReDriver,以支持行驶更长的跟踪距离。
Figure 4. USB-C Dock
作为最后一个示例,图4展示了一个通用扩展底座,它通过单个USB Type-C端口连接到上游主机,并为下游设备(如监视器和外部存储器)提供DisplayPort、HDMI、VGA和多个USB 3.2输出端口。它还提供千兆以太网LAN端口。在这里,可以使用PI3USB31532 USB Type-C crossbar switch或PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2/DisplayPort 1.4有源crossbar来处理USB 3.2和DisplayPort交换。图中所示的电源开关使基座能够通过VBUS引脚向主机供电。DP开关(例如PI3WVR31310A)的输出要么直接发送到DP连接器,要么通过HDMI或VGA转换器分别传输到HDMI和VGA连接器。
Conclusion
结论
设备设计师必须面对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的电源传输、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交换、电源切换、充电控制和电缆定向检测,简化了设计,简化了产品认证,节省了电路板空间和材料成本。
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作者:范德成链接:https://www.zhihu.com/question/56251636/answer/157021710来源:知乎著作权归作者所有.商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注 ...