Type-C電子標(biāo)記線纜的設(shè)計(jì)

　　何時(shí)需要 電子標(biāo)記?

　　出現(xiàn)以下任意情況時(shí)，Type-C線纜需要電子標(biāo)記：

　　● VBUS電流需要超過3A

　　● 需要USB 3.1 Gen2或10GHz USB

　　● 需要Alternate Mode

　　EMCA的類型

　　USB Type-C 中有兩種電子標(biāo)記線纜組件(EMCA)：即被動(dòng)EMCA和主動(dòng)EMCA。其中的主要區(qū)別是：主動(dòng)EMCA為SuperSpeed USB提供信號調(diào)節(jié)功能，如轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器功能。

　　以下是每種配置的一些例子。

　　被動(dòng)EMCA：不改變USB數(shù)據(jù)信號的EMCA就是被動(dòng)EMCA，可采用兩種方式設(shè)計(jì)：配備或不配備貫穿整條線纜的VCONN 導(dǎo)線。

　　● 每個(gè)插頭配備一個(gè)線纜控制器的被動(dòng)EMCA(即每條線纜配備兩個(gè)線纜控制器)。此時(shí)， VCONN 導(dǎo)線不需要貫穿整條線纜(如圖8所示)。

　　圖8 每個(gè)插頭配備一個(gè)線纜控制器的被動(dòng)EMCA

　　● 被動(dòng)EMCA ,每條線纜只配備一個(gè)線纜控制器。此時(shí)，VCONN 導(dǎo)線將貫穿整條線纜。需要使用隔離元件以便于從線纜的一端的引入VCONN用于向線纜控制器供電(如圖10所示)。

　　圖9 每條線纜配備一個(gè)線纜控制器的被動(dòng)EMCA

　　主動(dòng)EMCA：加了一些額外器件比如信號驅(qū)動(dòng)芯片等用于調(diào)節(jié)USB數(shù)據(jù)信號的EMCA。這可以實(shí)現(xiàn)更長的線纜或光纜。

　　很多人認(rèn)為被動(dòng)EMCA就是不需要電能的線纜，但是實(shí)際情況并非如此。被動(dòng)和主動(dòng)EMCA都需要某種形式的電能來驅(qū)動(dòng)標(biāo)記電路。

　　設(shè)計(jì)考量

　　本節(jié)探討設(shè)計(jì)EMCA時(shí)應(yīng)該考慮的USB Type-C規(guī)范中的不同功率要求。

　　通過USB Type-C線纜提供的VBUS 電能

　　對通過USB Type-C 線纜提供的VBUS 電能的最低要求與現(xiàn)有USB線纜相同。EMCA可以使用VBUS -而不是VCONN -來驅(qū)動(dòng)線纜電路，因?yàn)閂BUS 貫穿了整條線纜。配有PD的VBUS支持更高的電壓(最高20V)。因此，任何一條含有由VBUS 供電的電子元件的USB Type-C線纜都必須能夠承受20V電壓。

　　所有VBUS引腳必須在USB Type-C插頭中互連。 全功能線纜每一端的VBUS引腳需要一個(gè)10毫微法的旁路電容器(30V的最小額定電壓)。該旁路電容器應(yīng)盡量靠近電源墊。所有GND引腳必須在USB Type-C插頭中互連。

　　對VCONN的要求

　　VCONN的功能不同于VBUS，因?yàn)閂CONN 與線纜另一端相互隔離。VCONN獨(dú)立于VBUS，而且與能夠使用USB PD支持更高電壓的VBUS 不同，VCONN 的固定為5V。表1顯示了所支持的VCONN 范圍，以及VCONN源應(yīng)滿足的其它功率要求。

　　表1 VCONN源的特性

　　為了降低VCONN上的功率 ，DFP可以在以下任意情況發(fā)生時(shí)關(guān)閉VCONN ：

　　在一個(gè)CC引腳上檢測到有效電壓后(Rd在該引腳上)，未在另一個(gè)CC引腳上檢測到Ra ;

　　完成線纜發(fā)現(xiàn)過程后，確定不再需要 VCONN ;

　　線纜發(fā)現(xiàn)消息未被線纜響應(yīng)

　　EMCA必須向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個(gè)最大DC阻抗。電容器允許出現(xiàn)±20% 的公差，以便通過EMCA標(biāo)記芯片中未經(jīng)調(diào)整的片上電容器得到實(shí)現(xiàn)。表2列出了對EMCA中VCONN引腳上接地層的阻抗值。

　　表2 EMCA終結(jié)要求

　　如果沒有VCONN，供電線纜不應(yīng)妨礙CC的正常工作，其中包括UFP檢測、電流宣稱和USB PD運(yùn)行。表3列出了使用VCONN電能的線纜應(yīng)滿足的要求。

　　表3 VCONN特性

　　USB掛起模式下，電子標(biāo)記線纜從VCONN 獲取的電流不應(yīng)超過7.5mA。

　　被動(dòng)EMCA(不含數(shù)據(jù)總線信號調(diào)節(jié)電路)從VCONN 獲取的功率不應(yīng)超過70 mW。

　　主動(dòng)EMCA(含數(shù)據(jù)總線信號調(diào)節(jié)電路)從VCONN 獲取的功率不應(yīng)超過1W。

　　VCONN供電配件

　　VCONN供電配件是一個(gè)直接附著式UFP，它實(shí)現(xiàn)了Alternate Mode，而且能夠只使用VCONN進(jìn)行工作。VCONN供電配件向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個(gè)最大阻抗。VCONN供電配件應(yīng)能在2.7V-5.5V VCONN電壓范圍內(nèi)工作。

　　其它設(shè)計(jì)考量

　　借助Type-C，一條線纜將具備多個(gè)功能，其中包括VBUS配電、USB數(shù)據(jù)和 alternate mode。alternate mode的一個(gè)常見例子是在一個(gè)或兩個(gè)USB SuperSpeed 線路上傳輸?shù)腄isplayPort。電力、數(shù)據(jù)和圖像的這種三合一打造了一個(gè)高電力、單線纜、超薄、易用的對接解決方案。為了使這條Type-C線纜同時(shí)支持Type-C和USB-PD功能，我們還需要采用其它技術(shù)。由于并非所有線纜都具備相同的能力或性能，需要一項(xiàng)USB-IF認(rèn)證來表明某條線纜滿足規(guī)范中的所有要求。谷歌、亞馬遜等公司已公開表明，USB Type-C線纜必須通過認(rèn)證，任何未經(jīng)認(rèn)證的線纜都會給DFP和UFP帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。 在發(fā)起任何USB-PD供電確認(rèn)之前，DFP將通過SOP*枚舉來確認(rèn)線纜是否獲得了USB-IF認(rèn)證。

　　與OEM線纜成品必須通過認(rèn)證一樣，Type-C線纜中的標(biāo)記芯片也必須通過認(rèn)證。賽普拉斯半導(dǎo)體公司的CCG2 EZ-PD PD控制器是市場上在首個(gè)認(rèn)證測試日中首款通過認(rèn)證的標(biāo)記芯片。

　　賽普拉斯CCG2 EZ-PD標(biāo)記芯片的可編程性可讓用戶輕松編程線纜特性。因?yàn)楝F(xiàn)在不同的線纜中的標(biāo)記芯片內(nèi)都植入了不同的廠商自定義信息，這一點(diǎn)變得越來越重要。此外，當(dāng)最終用戶的要求或參數(shù)發(fā)生變更時(shí)，或當(dāng)USB-IF修改USB Type-C或USB-PD規(guī)范時(shí)，這個(gè)特性也是必不可少的。用戶可以使用賽普拉斯的CC引導(dǎo)裝載程序技術(shù)，輕松地將這些變更重新編程到線纜成品中。

　　對EMCA應(yīng)用中的線纜控制器的主要應(yīng)用級要求包括：

　　● 支持最新PD規(guī)范中定義的USB-PD協(xié)議;

　　● 支持BMC編碼的物理層;

　　● 支持VCONN導(dǎo)線上內(nèi)置的Ra電阻器;

　　● 能夠使用VCONN電源向芯片供電;

　　● 支持用于實(shí)現(xiàn)每條線纜只配備一個(gè)線纜控制器的被動(dòng)EMCA的內(nèi)置隔離元件(圖10);

　　● 支持通過斷開Ra電阻器達(dá)到節(jié)能目的;

　　● 支持CC 和VCONN 引腳上內(nèi)置的系統(tǒng)級防護(hù);

　　● 支持引導(dǎo)裝載程序，以便隨著USB Type-C和USB PD的演進(jìn)，支持通過CC進(jìn)行固件升級。

　　每條線纜配備一個(gè)CCG2的被動(dòng)EMCA

　　在這種EMCA架構(gòu)中，其中一個(gè)插頭中包含一個(gè)CCG2標(biāo)記芯片。這種方法要求一條VCONN 導(dǎo)線貫穿整條線纜，這樣一來，無論哪一頭連接主機(jī)(DFP)，芯片都能獲得供電。所需的隔離元件內(nèi)置于CCG2中。有關(guān)這種方法和其它方法的詳情，請參閱：設(shè)計(jì)USB 3.1 Type-C線纜。

　　圖10 每條線纜配備一個(gè)CCG2的被動(dòng)EMCA解決方案

　　圖10描述的是配備CCG2的被動(dòng)EMCA，這種EMCA架構(gòu)包含兩個(gè)CCG2，一個(gè)插頭包含一個(gè)。VCONN信號不貫穿整條線纜，而是終結(jié)于每個(gè)插頭的CCG2。

　　圖11 每個(gè)線纜插頭配備一個(gè)CCG2的被動(dòng)EMCA解決方案

　　圖11描述的是配備CCG2的被動(dòng)EMCA ，該EMCA支持PD。在線纜的兩端各嵌入一個(gè)CCG2，分別由兩端的USB Type-C端口供電。第二個(gè)CCG2的存在，使得VCONN不需要貫穿整個(gè)線纜。

　　每條線纜配備一個(gè)CCG2的主動(dòng)EMCA

　　主動(dòng)EMCA的主要功能是通過在數(shù)據(jù)路徑上添加一個(gè)信號驅(qū)動(dòng)器提供信號調(diào)節(jié)功能。主動(dòng)EMCA如需要配置/信號調(diào)節(jié)功能，可使用USB Power Delivery廠商自定義消息來尋找和枚舉線纜屬性。該方案需要從 VCONN電源獲取連續(xù)電能，因此DFP不能關(guān)閉線纜的VCONN 供電。

　　圖 12 每條線纜配備一個(gè)CCG2的主動(dòng)EMCA解決方案

　　圖12描述的是配備CCG2的主動(dòng)EMCA，其內(nèi)嵌一個(gè)用于延長線纜長度的再驅(qū)動(dòng)。

　　“設(shè)計(jì)USB 3.1 Type-C線纜”詳細(xì)闡述了制造商如何使用CCG2輕松設(shè)計(jì)被動(dòng)電子標(biāo)記線纜組件(EMCA)。“硬件設(shè)計(jì)指南”提供EZ-PD™ CCG2的硬件設(shè)計(jì)和PCB版圖指南。這些指南有助確保最佳的信號完整性，以及對USB Power Delivery和Type-C規(guī)范的全面遵從。賽普拉斯擁有一個(gè)廣泛的Type-C控制器產(chǎn)品組合(從單Type-C端口控制器EZ-PD™ CCG1、EZ-PD™ CCG2、EZ-PD™ 和CCG3到雙端口控制器EZ-PD™ CCG4)，此外還提供產(chǎn)品手冊、開發(fā)套件、應(yīng)用說明、軟件下載、示例項(xiàng)目、演示視頻等有用工具。

　　市場上的很多USB Type-C線纜設(shè)計(jì)不合理，有可能損壞用戶的硬件設(shè)備。尤其是由于設(shè)計(jì)拙劣，很多線纜不遵從USB-C規(guī)范，電阻值不正確，導(dǎo)致EMCA消耗過多電能。在為您的新設(shè)備購買任何USB Type-C線纜之前，請查一下它是否真的遵從USB-C規(guī)范。本文Type-C和PD規(guī)范的基本概念，可用作設(shè)計(jì)全面遵從USB Type-C規(guī)范的電子標(biāo)記Type-C線纜的參考指南。