設計人員在為產品添加USB Type-C?連接時需要了解的信息

在過去的幾年里，有許多文章都對USB-C連接器的優點交口稱贊。除了它的萬兆每秒（Gbps）帶寬和交替模式視頻功能之外，還有兩個非常有價值的優點：可正反插的插頭和智能大功率功能。可正反插的插頭的價值顯而易見：我們終于可以輕松接入設備，而不必翻轉插頭（通常需要兩次）。然而，智能電源的存在讓USB-C連接器變得非常實用。

USB始終可以持續供電（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備（如U盤或鍵盤）供電，或者為手機等涓流充電設備供電。隨后推出了USB-C這種新供電（PD）標準，它允許發送方和接收方在5至20V的電壓下協商最高100W的功率輸出。這意味著，只需一個小小的USB-C插頭便可為更多產品供電，包括外部存儲設備、電話、個人電腦、電動工具、醫療設備和無數其他產品。利用100W的輸出功率，您安裝在電動汽車里的幾乎任何設備都可以用USB-C端口充電（遺憾的是，汽車本身不行）。

如今，個人電腦和手機行業已在許多批量生產的終端系統中迅速采用USB-C。最值得注意的是，iPhone支持通過Lightning連接器供電，而安卓手機則在大多數新機型中采用了USB-C連接器供電。最初的USB-C和供電的設計十分復雜，涉及許多外部組件和軟件配置工具。如今，半導體行業中新產品的發展從USB-C的設計中可見一斑。那么，現在將USB-C添加到您的產品中需要做什么呢？

USB-C PD設計需要什么？

在產品設計中，第一步都是定義所需的功能集。在具有供電的USB-C系統中尤其如此，因為支持PD功能會直接影響系統成本。PD本身增加了系統的成本，因此最終產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之外的其他數據類型，因此需要了解整個系統才能選擇合適的USB-C組件。如果產品是存儲設備或電池充電器，則無需為系統增加實現交替模式視頻所需的成本和固件。相反，如果系統是連接到支持DisplayPort的筆記本電腦的顯示器，則必須在設計中包含特定的端口控制器和組件。因為USB-C端口元件包括PD/USB協議、數據和電源，因此系統解決方案將包括USB-C供電端口控制器和模擬及電源組件。

一個最簡單的USB-C應用是純充電端口。在這種情況下，系統的設計目的是為與其連接的設備供電和/或充電。這類系統的一個例子是汽車上的后排充電口、電動工具電池或房屋里的壁式充電器。 

圖1：作為純充電電源的USB-C端口框圖

在本例中，實現系統所需的主要“物料清單”（BOM）組件列表相對較短:

· USB-C端口控制器——協商連接和電源協議。

· 直流/直流轉換器——將輸入電壓轉換成PD協議需要的Vbus電壓。

· 負載開關——在插入時向Vbus提供5V電壓，在建立PD協議后，連接適當的Vbus電壓。有時會與直流/直流轉換器結合使用。

· LDO——調節端口控制器的電壓，因為直流/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備之間的所有協議。現代獨立控制器（如Microchip提供的控制器）至少包括以下功能：

· 支持連接檢測和控制的USB-C連接器

· 符合USB供電規范3.0的MAC

· 預編程供電固件

· 支持所有標準供電配置文件（15/27/45/60/100W）

· 集成降低BOM成本和設計復雜性的精選模擬組件。連接所需的示例包括：

o 支持Rp/Rd切換的VCONN FET

o 電量耗盡Rd端接

o 針對過流情況的可編程電流檢測功能

o 針對過壓情況的電壓檢測功能

· 適用于應用的溫度支持

因為這是一個純充電的示例，因此不需要其他系統控制器。雖然有些供應商提供可編程器件，但純充電解決方案的邏輯選擇是預編程產品，沒有軟件要求，系統配置通過簡單的器件配置腳（接地或Vcc連接）完成。只要控制器符合PD 3.0標準，用戶就可以訪問所有標準電源配置文件：15W/27W/45W/60W/100W。

對于直流/直流轉換器，轉換器類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標準。對于具有24 VDC輸入或電壓大于20 VDC的系統，基本降壓拓撲結構可以提供經濟高效的解決方案。對于低壓直流或離線交流供電系統，則需要采用其他拓撲結構。

圖2給出了一個針對圖1的修改示例。在這種情況下，設計人員選擇了為數據傳輸提供USB2主機支持，因為其現有產品采用了一個原生支持USB2的單片機。請注意，端口控制器不需要任何與USB2數據路徑的連接。無需額外組件，USB-C端口BOM與純充電解決方案相同。如果MCU/系統控制器支持USB3，也可以通過簡單添加USB3多路復用器來添加USB3（支持USB-C插頭的正反插）。在本例中，使用獨立的USB-C預編程端口控制器也是將單個USB-C端口添加到現有產品中的最簡單解決方案。

圖2：作為電源的USB-C連接框圖（包含USB2數據）

USB性能架構的頂端是基于集線器的系統，如圖3所示。基于集線器的設計提供了所有USB架構中最高的靈活性和性能，同時減輕了中央處理器的通信負擔。這種類型的系統通常用于個人電腦塢站和顯示器、汽車中心控制臺以及任何需要多個USB連接的場合。和前面的示例一樣，這種設計的第一步是確定功能集。在個人電腦使用案例中，視頻信號很可能通過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數據示例相比，此示例的端口控制器必須能夠支持交替模式功能，并且系統必須包含所需的電路，以管理通過交替模式通道傳輸的協議的方向和解析。

圖3：基于USB集線器的基礎架構，支持Type-A端口、Type-C端口和交替模式

該系統中使用多端口“智能集線器”，可為設計人員提供更高效的系統級設計。雖然設計人員可以輕松購買一個功能更豐富的端口控制器并將功能分開，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銷。這在多端口系統中尤其如此，在這些系統中，數據移動或功率使用的協調非常重要。

此示例闡述了端口控制的一個改進形式，隨著越來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。在這種架構中，獨立端口控制器被收發器取代，收發器包含USB-C接口的物理層，類似于以太網的設計方式。

為了支持交替模式功能，該設計包含一個外部交叉開關多路復用器，可將視頻數據重定向到DP連接器以支持外部顯示器。該系統還展示了當今系統中常見的USB-A和USB-C連接器的實際組合。

為了解決當前對數據和網絡安全日益關注的問題，該設計還包含一個安全IC，允許對系統固件進行安全更新。Microchip的ECC608A等高度安全器件允許設計人員通過使用NIST、SHA-256和HMAC散列以及AES-128加密來確保代碼的安全性，甚至連制造商也不知道所有者的密鑰。

上述系統BOM示例的新增內容包括：

· USB多端口智能集線器——包含控制器和多個USB連接。

· 交叉開關多路復用器——將各種數據通道轉移到不同的位置。

· DP連接器——連接到視頻顯示器。

· Type-A連接器

· Type-A電源

· 安全IC——允許更新集線器的安全代碼。

· 每個端口的USB-C收發器  

· 每個USB-C PD端口的直流/直流轉換器

使用具有集成供電的USB智能集線器還可以實現其他系統級功能。包含HostFlex技術的高級系統（其中任何Type-C端口都可以成為系統主機）讓用戶無需考慮連接的端口即可接管顯示和輸出功能，從而提供了更高級別的靈活性和功能。利用功率平衡，還可以通過了解系統可用的總功率并執行用戶定義的功率分配算法來提高系統的靈活性。用戶可以根據連接順序、設備類型、連接的設備數量或這些條件的某些組合來決定是否供電。實現這些功能的技術是Microchip智能集線器，它可協調所有并行USB-C PD端口連接的平臺級管理。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現的系統級功能，如HostFlex、多主機（并發主機功能）和功率平衡。

總結

USB-C是一種最終使多種類型的數據和多種功率級別在單個連接器中共存的連接器。使用智能集線器設計可以輕松實現HostFlex和功率平衡等高級系統功能，而基本充電電路可以通過簡單和可配置的端口控制器來實現。未來的設備將繼續提高集成度并降低實現難度。

設計人員不必為將USB-C添加到其設計中的任務擔心，因為半導體公司（如Microchip）正在生產獨特且功能強大的端口控制器、收發器和配套的直流/直流轉換器，以及簡化設計工作和降低風險所需的支持。