USB Type-C設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)解析

　　新推出的可正反向插接的USB Type-C連接器向使用者保證可減少插接USB設(shè)備時(shí)的麻煩——不論插頭以何種方式插入，連接都應(yīng)該有效工作。

　　USB Type-C也對(duì)如下技術(shù)提供支持：數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbit/s的USB 3.1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(hào)的切換模式。

　　因此，數(shù)以百計(jì)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(shí)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(cè)試，以對(duì)其產(chǎn)品和原型的互操作性進(jìn)行了測(cè)試。

　　盡管目前業(yè)界已與USB打了幾十年的交道，但實(shí)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(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)線上的電壓擺幅是低于0.5V的。設(shè)計(jì)者需要在連接接收端的物理層（PHY）里實(shí)現(xiàn)均衡器，來獲取輸入信號(hào)，這時(shí)，該信號(hào)眼圖中的“眼睛”基本是閉合的，而需要實(shí)施必要的均衡以使信號(hào)眼圖中的“眼睛”張開，同時(shí)，顯示信號(hào)代表的是邏輯0或者邏輯1。

　　在實(shí)現(xiàn)Type-C連接時(shí)仍有許多其他挑戰(zhàn)，尤其是在USB 3.1規(guī)范以10Gbit/s的全數(shù)據(jù)速率工作時(shí)最甚。

　　重新考慮PHY

　　例如，連接器的可正反插接特性需要在實(shí)現(xiàn)中對(duì)物理層進(jìn)行重構(gòu)。當(dāng)以USB 2.0數(shù)據(jù)速率運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)者可通過使用一對(duì)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USB 2.0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(duì)于USB 3.0和3.1數(shù)據(jù)速率而言，設(shè)計(jì)者需要實(shí)現(xiàn)兩條數(shù)據(jù)通路，以處理更高的速率。通過一個(gè)方向上的連接器，系統(tǒng)連接到一條數(shù)據(jù)通路上，同時(shí)在另一個(gè)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?yàn)橐?Gbit/s和10Gbit/s數(shù)據(jù)速率傳輸時(shí)，通過短接數(shù)據(jù)通路來明確方向，將會(huì)引發(fā)太多的信號(hào)反射，從而使數(shù)據(jù)分解。

　　設(shè)計(jì)者需要決定如何解決這個(gè)問題。一種解決方案是使用兩個(gè)物理層，每個(gè)方向有一個(gè)物理層。雙物理層解決方案的缺點(diǎn)是會(huì)占用20%到25%的額外面積，來實(shí)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(gè)系統(tǒng)擁有的高速（High-Speed）數(shù)據(jù)通路比其實(shí)際需求多出一條。

　　一種更高效的實(shí)現(xiàn)方法，是使用一個(gè)已經(jīng)針對(duì)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(jì)者選擇何種實(shí)現(xiàn)方法取決于他們的最終應(yīng)用。成本敏感類市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)。

　　USB Type-C信令

　　實(shí)現(xiàn)USB Type-C的第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是24引腳連接器所要求的信號(hào)復(fù)雜性。USB Type-C規(guī)范明確了配置通道（CC）信號(hào)和功率輸出（PD）信號(hào)以定義各項(xiàng)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(shí)是為音視頻而處于切換模式。

　　同時(shí)支持配置通道信號(hào)與功率輸出信號(hào)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(jì)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(hào)，這取決于當(dāng)時(shí)工作的信號(hào)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(gè)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(hào)來通知端口在工作時(shí)擔(dān)任主機(jī)還是設(shè)備；但是Type-C并沒有這個(gè)信號(hào)，所以要使用功率輸出消息信號(hào)來完成這項(xiàng)工作，這使PD信號(hào)的實(shí)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(jià)是使設(shè)計(jì)者的工作變得更加復(fù)雜。設(shè)計(jì)者將不得不決定他們想要的是支持USB 2.0、3.0和/或3.1中的哪一個(gè)，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(shí)現(xiàn)還會(huì)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(jì)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(dú)的電源管理芯片，或主系統(tǒng)CPU甚至一個(gè)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(xiàng)USB設(shè)計(jì)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(yàn)證。這就是深入而直接的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，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USB 3.1 物理層IP，以及為了實(shí)現(xiàn)Type-C功能所必需的支持工具和驗(yàn)證環(huán)境——這使得設(shè)計(jì)者的工作更加簡(jiǎn)便。

　　本文作者：Synopsys USB PHY IP高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理 Gervais Fong