USB Type C技術(shù)和方案全面解讀

　　一條USB數(shù)據(jù)線無非就是一條線加兩個頭，這看似簡單，但卻沒有想象中的簡單，小小的數(shù)據(jù)線，隱藏著許多你可能不知道的知識，而USB Type-C的橫空問世更是說明了不能小瞧它。

　　正反向可接插的USB　Type-C連接器可減少插接USB設(shè)備時的麻煩，USB Type-C也對如下技術(shù)提供支持：數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbit/s的USB3.1規(guī)范、高達(dá)100W的功率輸出、音頻多路復(fù)用，以及可處理諸如與DisplayPort或MHL等視頻信號的切換模式。

　　因此，數(shù)以百計的供應(yīng)商正在推出支持USB Type-C的產(chǎn)品就不足為奇了。事實上，來自從連接線纜到筆記本電腦等許多領(lǐng)域的一百多家供應(yīng)商參加了于2015年7月舉行的第一屆USB Type-C互連互通性測試，以對其產(chǎn)品和原型的互操作性進(jìn)行了測試。

　　盡管目前業(yè)界已與USB打了幾十年的交道，但實現(xiàn)Type-C連接仍然帶來了諸多新的挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)以10Gbit/s的數(shù)據(jù)速率運行時，數(shù)據(jù)線上的電壓擺幅是低于0.5V的。設(shè)計者需要在連接接收端的物理層（PHY）里實現(xiàn)均衡器，來獲取輸入信號，這時，該信號眼圖中的“眼睛”基本是閉合的，而需要實施必要的均衡以使信號眼圖中的“眼睛”張開，同時，顯示信號代表的是邏輯0或者邏輯1。

　　在實現(xiàn)Type-C連接時仍有許多其他挑戰(zhàn)，尤其是在USB3.1規(guī)范以10Gbit/s的全數(shù)據(jù)速率工作時最甚。

　　USB Type-C介紹：

　　1、超薄

　　更薄的機(jī)身需要更薄的端口，這也是USB-C橫空出世的原因之一。USB-C端口長0.83厘米、寬0.26厘米。老式USB端口長1.4厘米、寬0.65厘米已經(jīng)顯得過時。這也意味著USB-C數(shù)據(jù)線的末端將是標(biāo)準(zhǔn)USB-A型數(shù)據(jù)線插頭尺寸的三分之一。

　　2、無正反

　　像蘋果的Lightning接口一樣，USB-C端口正面和反面是相同的。也就是說無論你怎么插入這一端口都是正確的。用戶不必?fù)?dān)心傳統(tǒng)USB端口所帶來的正反問題。

　　3、快速

　　理論上，USB-C端口的最高傳輸速率為每秒10Gb。但是蘋果表示新款MacBook的USB-C端口最高傳輸速率為5Gbps。最大輸出電壓為20伏，可以加快充電時間。 而USB-A型，到目前為止極限傳輸速率為5Gbps，輸出電壓為5伏。

　　4、多面手

　　新MacBook的USB-C型端口能夠傳輸數(shù)據(jù)、進(jìn)行充電也可以作為視頻輸出端口鏈接外部顯示設(shè)備。唯一的疑問是蘋果如何滿足想要同時做這三件事的用戶。

　　5、雙向

　　USB Type-C 不像老款USB端口，功率只能單向傳輸，USB-C型端口的功率傳輸是雙向的，這意味著它可以擁有兩種發(fā)送功率方式。所以，用戶不僅可以用筆記本為移動設(shè)備充電，也可以利用其它設(shè)備或移動電源為筆記本充電。

　　6、后向兼容

　　USB-C可以與老的USB標(biāo)準(zhǔn)兼容，但用戶需要額外購買適配器才能完成兼容。蘋果公司表示不僅蘋果官方會出售適配器，第三方公司也可以授權(quán)生產(chǎn)。

　　開發(fā)USB Type-C還需要注意哪些問題？

　　重新考慮PHY

　　例如，連接器的可正反插接特性需要在實現(xiàn)中對物理層進(jìn)行重構(gòu)。當(dāng)以USB2.0數(shù)據(jù)速率運行時，設(shè)計者可通過使用一對電阻去短接進(jìn)入物理層的兩條數(shù)據(jù)通路，從而去明示連接器以何種方式被插接。在較低的USB2.0數(shù)據(jù)速率上，物理層擁有足夠的性能裕量來處理短接數(shù)據(jù)通路所引發(fā)的反射。

　　對于USB3.0和USB3.1數(shù)據(jù)速率而言，設(shè)計者需要實現(xiàn)兩條數(shù)據(jù)通路，以處理更高的速率。通過一個方向上的連接器，系統(tǒng)連接到一條數(shù)據(jù)通路上，同時在另一個方向上，系統(tǒng)連接到另一條數(shù)據(jù)通路上。雙數(shù)據(jù)通路是必要的，因為以5Gbit/s和10Gbit/s數(shù)據(jù)速率傳輸時，通過短接數(shù)據(jù)通路來明確方向，將會引發(fā)太多的信號反射，從而使數(shù)據(jù)分解。

　　設(shè)計者需要決定如何解決這個問題。一種解決方案是使用兩個物理層，每個方向有一個物理層。雙物理層解決方案的缺點是會占用20%到25%的額外面積，來實現(xiàn)兩條超高速（SuperSpeed）數(shù)據(jù)通路和兩條高速（Hi-Speed）數(shù)據(jù)通路，而且需要兩組鎖相環(huán)電路（PLL）及兩組電源、接地和數(shù)據(jù)引腳。最終結(jié)果是一個系統(tǒng)擁有的高速（High-Speed）數(shù)據(jù)通路比其實際需求多出一條。

　　一種更高效的實現(xiàn)方法，是使用一個已經(jīng)針對USB Type-C規(guī)范優(yōu)化過的物理層，其擁有兩條超高速（SuperSpeed）數(shù)據(jù)通路、一條高速（Hi-Speed）數(shù)據(jù)通路、一組鎖相環(huán)電路以及一組電源、接地和數(shù)據(jù)引腳。

　　設(shè)計者選擇何種實現(xiàn)方法取決于他們的最終應(yīng)用。成本敏感類市場將選擇節(jié)省面積和芯片，可通過省去一條額外的Hi-Speed數(shù)據(jù)通路以及減少高達(dá)40%的引腳數(shù)量來實現(xiàn)。

　　USB Type-C信令

　　實現(xiàn)USB Type-C的第二項挑戰(zhàn)是24引腳連接器所要求的信號復(fù)雜性。USB Type-C規(guī)范明確了配置通道（CC）信號和功率輸出（PD）信號以定義各項參數(shù)，例如連接器的方向，任何插入Type-C端口的電線可以承載多大的功率，以及連接器何時是為音視頻而處于切換模式。

　　同時支持配置通道信號與功率輸出信號要求附加的邏輯：功率輸出消息控制器和配置通道邏輯。設(shè)計挑戰(zhàn)的一部分是處理可能發(fā)生在不同電壓上的兩種信號，這取決于當(dāng)時工作的信號組合。

　　Type-C規(guī)范也摒棄了USB On-The-Go概念，而是以Dual Role Port概念取而代之。USB On-The-Go是一種信令方式，用于表明一個端口是被用作主機(jī)還是被用作設(shè)備。On-The-Go協(xié)議使用ID引腳發(fā)出信號來通知端口在工作時擔(dān)任主機(jī)還是設(shè)備；但是Type-C并沒有這個信號，所以要使用功率輸出消息信號來完成這項工作，這使PD信號的實現(xiàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。

　　系統(tǒng)性問題

　　Type-C連接器可以使USB用戶的生活更加便利，但付出的代價是使設(shè)計者的工作變得更加復(fù)雜。設(shè)計者將不得不決定他們想要的是支持USB2.0、3.0和/或3.1中的哪一個，怎樣處理功率輸出，以及是否支持音視頻可切換模式。

　　USB Type-C的實現(xiàn)還會有系統(tǒng)方面的影響。例如，倘若SoC打算支持功率輸出方面的功能，設(shè)計者可以選擇使用一種滿足所有相關(guān)安全條件的外部電源管理芯片。這意味著將分割功率輸出和配置通道邏輯，也許在物理層和一塊單獨的電源管理芯片，或主系統(tǒng)CPU甚至一個專用的外部微控制器之間分割。

　　Synopsys 全面的USB控制器和物理層IP產(chǎn)品組合，已經(jīng)被3000多項USB設(shè)計成功采用，并且已經(jīng)通過約30億只已發(fā)貨的器件加以驗證。這就是深入而直接的設(shè)計經(jīng)驗，使我們能夠開發(fā)特別為與Type-C連接器共同使用而優(yōu)化的USB3.1物理層IP，以及為了實現(xiàn)Type-C功能所必需的支持工具和驗證環(huán)境——這使得設(shè)計者的工作更加簡便。

　　“線”的問題

　　USB除了可以用來傳輸數(shù)據(jù)之外，還可以作為電力供應(yīng)的手段。而最初的USB標(biāo)準(zhǔn)由于并不具備電力供應(yīng)能力，因此USB 1.0及2.0的電力供應(yīng)能力僅限于2.5w（0.5A/5v）。雖然這足以供應(yīng)手機(jī)等小型電子設(shè)備，但是對于外界驅(qū)動器來說，顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而USB 3.0就應(yīng)運而生，它的供應(yīng)值可達(dá)4.5w（0.9a/5v）。

　　而在USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)下的USB Type-C接口的供電能力可以達(dá)到最高20V/5A，也就是100w，不僅可以滿足手機(jī)充電的要求，還能夠滿足平板設(shè)備和計算機(jī)的充電需求；另外，在這種供電能力下，也可以免去其他用電功率較高的外部設(shè)備需要另接電源的麻煩。

　　另外，關(guān)于USB Type-C供電范圍還有一些問題需要說明。其中有好也有不足。好消息是，USB PD 2.0標(biāo)準(zhǔn)未來可以直接為筆記本或平板電腦供電，同時還可以讓智能手機(jī)作為作為移動電源使用。

　　另一方面不好的消息就是，暫時還沒有所謂的全能USB線纜問世，這些線纜需要內(nèi)置特殊的芯片，里面包含了關(guān)于線纜的信息。全功能的USB線纜需要能夠承受1.5a或5v的電流，而這樣的線纜造價要比普通的USB線纜高出許多。

　　Type-C芯片廠商以及產(chǎn)品方案

　　萊迪思（Lattice）：

　　德州儀器（TI）：

　　TPS65982

　　-USB Type-C USB PD Controller

　　-Power Switch High Speed Multiplexer

　　HD3SS460

　　-4 x 6 Channels USB Type-C™ Alternate Mode MUX

　　-Compatible for Source/Host and Sink/Device Applications

　　意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，簡稱ST）：

　　STUSB16接口芯片采用意法半導(dǎo)體的20V制造工藝，集成短路、過壓、過流等保護(hù)功能，無需加設(shè)外部電路，此外還提供電流設(shè)定值最高600mA的插接功率支持（VCONN），按照USB 供電規(guī)范（USB Power Delivery），集成雙相標(biāo)記編碼（BMC，Bi-Phase Mark Coded）物理層（PHY，Physical Layer）的編碼和解碼邏輯電路。

　　賽普拉斯（Cypress）：

　　EZ-PD™ CCG1： Industry’s First Programmable Type-C Port Controller

　　EZ-PD™ CCG2： Industry’s Smallest Programmable Type-C Cable Controller

　　硅谷數(shù)模半導(dǎo)體公司（Analogix Semiconductor， Inc.）：

　　ANX7428，完美適用于基于X86的筆記本-4通道DisplayPort接口和USB超高速切換開關(guān)、DisplayPort交替模式、USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7418，完美適用于基于ARM的智能手機(jī)、平板電腦和運動型相機(jī)–兩通道DisplayPort接口和USB超高速切換開關(guān)、搭載SlimPort發(fā)射器的DisplayPort交替模式、USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7408-USB超高速切換開關(guān)，搭載USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7409-USB超高速切換開關(guān)，搭載USB-C端口控制器

　　ANX7401-USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7403-USB-C端口控制器。

　　創(chuàng)惟科技：

　　高性能USB Type-C™ SuperSpeed 集線器控制芯片GL3523S

　　恩智浦半導(dǎo)體（NXP）：

　　譜瑞科技：

　　該公司推出PS 8750與PS 8751兩款整合型主動開關(guān)晶片，不僅可簡化設(shè)計、降低成本，同時也可縮小系統(tǒng)尺寸。

　　PS 8750與PS 8751兩款開關(guān)晶片整合了高速訊號Redriver線路、USB Power Delivery Controller和傳輸埠控制器（Port Controller），并支援USB Type-C電源（Power）傳輸?shù)裙δ埽瑸槎喙δ苷暇?。此外，該晶片符合USB3.1 Gen 1規(guī)范，傳輸速率可達(dá)5Gbit/s，同時支援DisplayPort Alt Mode，傳輸速率高達(dá)5.4Gbit/s。

　　Type-c連接器產(chǎn)商及產(chǎn)品方案

　　富士康（FOXCONN）：

　　在眾多廠商搶占芯片領(lǐng)域時，富士康則另找渠道，從連接器入手，迅速搶占USB Type-c另一高點。如下是富士康針對USB Type-c連接器的部分產(chǎn)品列表：

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富士康連接器 主要選型參數(shù)

如果想要全面了解細(xì)節(jié)參數(shù)，可以從下面鏈接獲取規(guī)格書和樣品測試

　　Foxcoon Type-C 連接器 資料獲取
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　　Type-C連接器 應(yīng)用方案

　　http://www.hqchip.com/fangan/31.html

　　http://www.hqchip.com/fangan/30.html

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　　http://www.hqchip.com/fangan/20.html

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