設(shè)計(jì)人員在為產(chǎn)品添加USBType-C連接時(shí)需要了解的信息

Daniel Leih

在過(guò)去的幾年里，有許多文章都對(duì)USB-C連接器的優(yōu)點(diǎn)交口稱(chēng)贊。除了它的萬(wàn)兆每秒（Gbps）帶寬和交替模式視頻功能之外，還有兩個(gè)非常有價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)：可正反插的插頭和智能大功率功能。可正反插的插頭的價(jià)值顯而易見(jiàn)：我們終于可以輕松接入設(shè)備，而不必翻轉(zhuǎn)插頭（通常需要兩次）。然而，智能電源的存在讓USB-C連接器變得非常實(shí)用。

USB始終可以持續(xù)供電（只需要5V電壓和小于1.5A的電流即可滿足需求）。由于之前的Type-A和Type-B的外形尺寸限制，使其只能為小型電子設(shè)備（如U盤(pán)或鍵盤(pán)）供電，或者為手機(jī)等涓流充電設(shè)備供電。隨后推出了USB-C這種新供電（PD）標(biāo)準(zhǔn)，它允許發(fā)送方和接收方在5至20V的電壓下協(xié)商最高100W的功率輸出。這意味著，只需一個(gè)小小的USB-C插頭便可為更多產(chǎn)品供電，包括外部存儲(chǔ)設(shè)備、電話、個(gè)人電腦、電動(dòng)工具、醫(yī)療設(shè)備和無(wú)數(shù)其他產(chǎn)品。利用100W的輸出功率，您安裝在電動(dòng)汽車(chē)?yán)锏膸缀跞魏卧O(shè)備都可以用USB-C端口充電（遺憾的是，汽車(chē)本身不行）。

如今，個(gè)人電腦和手機(jī)行業(yè)已在許多批量生產(chǎn)的終端系統(tǒng)中迅速采用USB-C。最值得注意的是，iPhone支持通過(guò)Lightning連接器供電，而安卓手機(jī)則在大多數(shù)新機(jī)型中采用了USB-C連接器供電。最初的USB-C和供電的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，涉及許多外部組件和軟件配置工具。如今，半導(dǎo)體行業(yè)中新產(chǎn)品的發(fā)展從USB-C的設(shè)計(jì)中可見(jiàn)一斑。那么，現(xiàn)在將USB-C添加到您的產(chǎn)品中需要做什么呢？

USB-C PD設(shè)計(jì)需要什么？

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，第一步都是定義所需的功能集。在具有供電的USB-C系統(tǒng)中尤其如此，因?yàn)橹С諴D功能會(huì)直接影響系統(tǒng)成本。PD本身增加了系統(tǒng)的成本，因此最終產(chǎn)品必須從供電功能中獲益，以確保成本的合理性。

USB-C用途廣泛，并且支持除USB之外的其他數(shù)據(jù)類(lèi)型，因此需要了解整個(gè)系統(tǒng)才能選擇合適的USB-C組件。如果產(chǎn)品是存儲(chǔ)設(shè)備或電池充電器，則無(wú)需為系統(tǒng)增加實(shí)現(xiàn)交替模式視頻所需的成本和固件。相反，如果系統(tǒng)是連接到支持DisplayPort的筆記本電腦的顯示器，則必須在設(shè)計(jì)中包含特定的端口控制器和組件。因?yàn)閁SB-C端口元件包括PD/USB協(xié)議、數(shù)據(jù)和電源，因此系統(tǒng)解決方案將包括USB-C供電端口控制器和模擬及電源組件。

一個(gè)最簡(jiǎn)單的USB-C應(yīng)用是純充電端口。在這種情況下，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為與其連接的設(shè)備供電和/或充電。這類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)例子是汽車(chē)上的后排充電口、電動(dòng)工具電池或房屋里的壁式充電器。（見(jiàn)圖1）

在本例中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的主要物料清單（BOM）組件列表相對(duì)較短：

USB-C端口控制器——協(xié)商連接和電源協(xié)議。

直流/直流轉(zhuǎn)換器——將輸入電壓轉(zhuǎn)換成PD協(xié)議需要的Vbus電壓。

負(fù)載開(kāi)關(guān)——在插入時(shí)向Vbus提供5V電壓，在建立PD協(xié)議后，連接適當(dāng)?shù)腣bus電壓。有時(shí)會(huì)與直流/直流轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用。

LDO——調(diào)節(jié)端口控制器的電壓，因?yàn)橹绷?直流可能需要提供5至20V的電壓。

USB-C接口。本例中端口控制器的選擇要求控制器能夠處理其與連接設(shè)備之間的所有協(xié)議?，F(xiàn)代獨(dú)立控制器（如Microchip提供的控制器）至少包括以下功能：

支持連接檢測(cè)和控制的USB-C連接器

符合USB供電規(guī)范3.0的MAC

預(yù)編程供電固件

支持所有標(biāo)準(zhǔn)供電配置文件

（15/27/45/60/100W）

集成降低BOM成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性的精選模擬組件。連接所需的示例包括：

支持Rp/Rd切換的VCONN FET

電量耗盡Rd端接

針對(duì)過(guò)流情況的可編程電流檢測(cè)功能

針對(duì)過(guò)壓情況的電壓檢測(cè)功能

適用于應(yīng)用的溫度支持

因?yàn)檫@是一個(gè)純充電的示例，因此不需要其他系統(tǒng)控制器。雖然有些供應(yīng)商提供可編程器件，但純充電解決方案的邏輯選擇是預(yù)編程產(chǎn)品，沒(méi)有軟件要求，系統(tǒng)配置通過(guò)簡(jiǎn)單的器件配置腳（接地或Vcc連接）完成。只要控制器符合PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)，用戶(hù)就可以訪問(wèn)所有標(biāo)準(zhǔn)電源配置文件：15W/27W/45W/60W/100W。

對(duì)于直流/直流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器類(lèi)型的選擇主要取決于輸入電壓。電源必須始終能夠提供5至20V的輸出電壓，才能完全符合PD標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于具有24 VDC輸入或電壓大于20 VDC的系統(tǒng)，基本降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。對(duì)于低壓直流或離線交流供電系統(tǒng)，則需要采用其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2給出了一個(gè)針對(duì)圖1的修改示例。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員選擇了為數(shù)據(jù)傳輸提供USB2主機(jī)支持，因?yàn)槠洮F(xiàn)有產(chǎn)品采用了一個(gè)原生支持USB2的單片機(jī)。請(qǐng)注意，端口控制器不需要任何與USB2數(shù)據(jù)路徑的連接。無(wú)需額外組件，USB-C端口BOM與純充電解決方案相同。如果MCU/系統(tǒng)控制器支持USB3，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單添加USB3多路復(fù)用器來(lái)添加USB3（支持USB-C插頭的正反插）。在本例中，使用獨(dú)立的USB-C預(yù)編程端口控制器也是將單個(gè)USB-C端口添加到現(xiàn)有產(chǎn)品中的最簡(jiǎn)單解決方案。

USB性能架構(gòu)的頂端是基于集線器的系統(tǒng)，如圖3所示?；诩€器的設(shè)計(jì)提供了所有USB架構(gòu)中最高的靈活性和性能，同時(shí)減輕了中央處理器的通信負(fù)擔(dān)。這種類(lèi)型的系統(tǒng)通常用于個(gè)人電腦塢站和顯示器、汽車(chē)中心控制臺(tái)以及任何需要多個(gè)USB連接的場(chǎng)合。和前面的示例一樣，這種設(shè)計(jì)的第一步是確定功能集。在個(gè)人電腦使用案例中，視頻信號(hào)很可能通過(guò)USB-C端口傳輸，這需要支持交替模式功能。因此，與上述純充電或充電加USB數(shù)據(jù)示例相比，此示例的端口控制器必須能夠支持交替模式功能，并且系統(tǒng)必須包含所需的電路，以管理通過(guò)交替模式通道傳輸?shù)膮f(xié)議的方向和解析。

該系統(tǒng)中使用多端口“智能集線器”，可為設(shè)計(jì)人員提供更高效的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。雖然設(shè)計(jì)人員可以輕松購(gòu)買(mǎi)一個(gè)功能更豐富的端口控制器并將功能分開(kāi)，但使用集線器中的控制器作為端口控制器可以降低成本與處理開(kāi)銷(xiāo)。這在多端口系統(tǒng)中尤其如此，在這些系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)移動(dòng)或功率使用的協(xié)調(diào)非常重要。

此示例闡述了端口控制的一個(gè)改進(jìn)形式，隨著越來(lái)越多的控制器和處理器中帶有USB-C功能，這種形式變得越來(lái)越普遍。所有USB-C控制功能（如端口策略管理、供電、交替模式支持和布告欄支持）都位于集線器內(nèi)。在這種架構(gòu)中，獨(dú)立端口控制器被收發(fā)器取代，收發(fā)器包含USB-C接口的物理層，類(lèi)似于以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方式。

為了支持交替模式功能，該設(shè)計(jì)包含一個(gè)外部交叉開(kāi)關(guān)多路復(fù)用器，可將視頻數(shù)據(jù)重定向到DP連接器以支持外部顯示器。該系統(tǒng)還展示了當(dāng)今系統(tǒng)中常見(jiàn)的USB-A和USB-C連接器的實(shí)際組合。

為了解決當(dāng)前對(duì)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全日益關(guān)注的問(wèn)題，該設(shè)計(jì)還包含一個(gè)安全I(xiàn)C，允許對(duì)系統(tǒng)固件進(jìn)行安全更新。Microchip的ECC608A等高度安全器件允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用NIST、SHA-256和HMAC散列以及AES-128加密來(lái)確保代碼的安全性，甚至連制造商也不知道所有者的密鑰。

上述系統(tǒng)BOM示例的新增內(nèi)容包括：

USB多端口智能集線器——包含控制器和多個(gè)USB連接

交叉開(kāi)關(guān)多路復(fù)用器——將各種數(shù)據(jù)通道轉(zhuǎn)移到不同的位置

DP連接器——連接到視頻顯示器

Type-A連接器

Type-A電源

安全I(xiàn)C——允許更新集線器的安全代碼

每個(gè)端口的USB-C收發(fā)器

每個(gè)USB-C PD端口的直流/直流轉(zhuǎn)換器

使用具有集成供電的USB智能集線器還可以實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)級(jí)功能。包含HostFlex技術(shù)的高級(jí)系統(tǒng)（其中任何Type-C端口都可以成為系統(tǒng)主機(jī)）讓用戶(hù)無(wú)需考慮連接的端口即可接管顯示和輸出功能，從而提供了更高級(jí)別的靈活性和功能。利用功率平衡，還可以通過(guò)了解系統(tǒng)可用的總功率并執(zhí)行用戶(hù)定義的功率分配算法來(lái)提高系統(tǒng)的靈活性。用戶(hù)可以根據(jù)連接順序、設(shè)備類(lèi)型、連接的設(shè)備數(shù)量或這些條件的某些組合來(lái)決定是否供電。實(shí)現(xiàn)這些功能的技術(shù)是Microchip智能集線器，它可協(xié)調(diào)所有并行 USB-C PD端口連接的平臺(tái)級(jí)管理。在Computex 2018上，Microchip展示了可在帶有集成PD的最新系列USB 3.1多端口智能集線器上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)功能，如HostFlex、多主機(jī)（并發(fā)主機(jī)功能）和功率平衡。

總結(jié)

USB-C是一種最終使多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)和多種功率級(jí)別在單個(gè)連接器中共存的連接器。使用智能集線器設(shè)計(jì)可以輕松實(shí)現(xiàn)HostFlex和功率平衡等高級(jí)系統(tǒng)功能，而基本充電電路可以通過(guò)簡(jiǎn)單和可配置的端口控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。未來(lái)的設(shè)備將繼續(xù)提高集成度并降低實(shí)現(xiàn)難度。

設(shè)計(jì)人員不必為將USB-C添加到其設(shè)計(jì)中的任務(wù)擔(dān)心，因?yàn)榘雽?dǎo)體公司（如Microchip）正在生產(chǎn)獨(dú)特且功能強(qiáng)大的端口控制器、收發(fā)器和配套的直流/直流轉(zhuǎn)換器，以及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作和降低風(fēng)險(xiǎn)所需的支持。