USB Type C技术和方案全面解读

1510任凯 2016-05-16 6963

连接器

675人已加入

描述

　　一条USB数据线无非就是一条线加两个头，这看似简单，但却没有想象中的简单，小小的数据线，隐藏着许多你可能不知道的知识，而USB Type-C的横空问世更是说明了不能小瞧它。

　　正反向可接插的USB　Type-C连接器可减少插接USB设备时的麻烦，USB Type-C也对如下技术提供支持：数据速率高达10Gbit/s的USB3.1规范、高达100W的功率输出、音频多路复用，以及可处理诸如与DisplayPort或MHL等视频信号的切换模式。

　　因此，数以百计的供应商正在推出支持USB Type-C的产品就不足为奇了。事实上，来自从连接线缆到笔记本电脑等许多领域的一百多家供应商参加了于2015年7月举行的第一届USB Type-C互连互通性测试，以对其产品和原型的互操作性进行了测试。

　　尽管目前业界已与USB打了几十年的交道，但实现Type-C连接仍然带来了诸多新的挑战。例如，当以10Gbit/s的数据速率运行时，数据线上的电压摆幅是低于0.5V的。设计者需要在连接接收端的物理层（PHY）里实现均衡器，来获取输入信号，这时，该信号眼图中的“眼睛”基本是闭合的，而需要实施必要的均衡以使信号眼图中的“眼睛”张开，同时，显示信号代表的是逻辑0或者逻辑1。

　　在实现Type-C连接时仍有许多其他挑战，尤其是在USB3.1规范以10Gbit/s的全数据速率工作时最甚。

　　USB Type-C 介绍：

　　1、超薄

　　更薄的机身需要更薄的端口，这也是USB-C横空出世的原因之一。USB-C端口长0.83厘米、宽0.26厘米。老式USB端口长1.4厘米、宽0.65厘米已经显得过时。这也意味着USB-C数据线的末端将是标准USB-A型数据线插头尺寸的三分之一。

　　2、无正反

　　像苹果的Lightning接口一样，USB-C端口正面和反面是相同的。也就是说无论你怎么插入这一端口都是正确的。用户不必担心传统USB端口所带来的正反问题。

　　3、快速

　　理论上，USB-C端口的最高传输速率为每秒10Gb。但是苹果表示新款MacBook的USB-C端口最高传输速率为5Gbps。最大输出电压为20伏，可以加快充电时间。而USB-A型，到目前为止极限传输速率为5Gbps，输出电压为5伏。

　　4、多面手

　　新MacBook的USB-C型端口能够传输数据、进行充电也可以作为视频输出端口链接外部显示设备。唯一的疑问是苹果如何满足想要同时做这三件事的用户。

　　5、双向

　　USB Type-C 不像老款USB端口，功率只能单向传输，USB-C型端口的功率传输是双向的，这意味着它可以拥有两种发送功率方式。所以，用户不仅可以用笔记本为移动设备充电，也可以利用其它设备或移动电源为笔记本充电。

　　6、后向兼容

　　USB-C可以与老的USB标准兼容，但用户需要额外购买适配器才能完成兼容。苹果公司表示不仅苹果官方会出售适配器，第三方公司也可以授权生产。

　　开发USB Type-C还需要注意哪些问题？

　　重新考虑PHY

　　例如，连接器的可正反插接特性需要在实现中对物理层进行重构。当以USB2.0数据速率运行时，设计者可通过使用一对电阻去短接进入物理层的两条数据通路，从而去明示连接器以何种方式被插接。在较低的USB2.0数据速率上，物理层拥有足够的性能裕量来处理短接数据通路所引发的反射。

　　对于USB3.0和USB3.1数据速率而言，设计者需要实现两条数据通路，以处理更高的速率。通过一个方向上的连接器，系统连接到一条数据通路上，同时在另一个方向上，系统连接到另一条数据通路上。双数据通路是必要的，因为以5Gbit/s和10Gbit/s数据速率传输时，通过短接数据通路来明确方向，将会引发太多的信号反射，从而使数据分解。

　　设计者需要决定如何解决这个问题。一种解决方案是使用两个物理层，每个方向有一个物理层。双物理层解决方案的缺点是会占用20%到25%的额外面积，来实现两条超高速（SuperSpeed）数据通路和两条高速（Hi-Speed）数据通路，而且需要两组锁相环电路（PLL）及两组电源、接地和数据引脚。最终结果是一个系统拥有的高速（High-Speed）数据通路比其实际需求多出一条。

　　一种更高效的实现方法，是使用一个已经针对USB Type-C规范优化过的物理层，其拥有两条超高速（SuperSpeed）数据通路、一条高速（Hi-Speed）数据通路、一组锁相环电路以及一组电源、接地和数据引脚。

　　设计者选择何种实现方法取决于他们的最终应用。成本敏感类市场将选择节省面积和芯片，可通过省去一条额外的Hi-Speed数据通路以及减少高达40%的引脚数量来实现。

　　USB Type-C信令

　　实现USB Type-C的第二项挑战是24引脚连接器所要求的信号复杂性。USB Type-C规范明确了配置通道（CC）信号和功率输出（PD）信号以定义各项参数，例如连接器的方向，任何插入Type-C端口的电线可以承载多大的功率，以及连接器何时是为音视频而处于切换模式。

　　同时支持配置通道信号与功率输出信号要求附加的逻辑：功率输出消息控制器和配置通道逻辑。设计挑战的一部分是处理可能发生在不同电压上的两种信号，这取决于当时工作的信号组合。

　　Type-C规范也摒弃了USB On-The-Go概念，而是以Dual Role Port概念取而代之。USB On-The-Go是一种信令方式，用于表明一个端口是被用作主机还是被用作设备。On-The-Go协议使用ID引脚发出信号来通知端口在工作时担任主机还是设备；但是Type-C并没有这个信号，所以要使用功率输出消息信号来完成这项工作，这使PD信号的实现进一步复杂化。

　　系统性问题

　　Type-C连接器可以使USB用户的生活更加便利，但付出的代价是使设计者的工作变得更加复杂。设计者将不得不决定他们想要的是支持USB2.0、3.0和/或3.1中的哪一个，怎样处理功率输出，以及是否支持音视频可切换模式。

　　USB Type-C的实现还会有系统方面的影响。例如，倘若SoC打算支持功率输出方面的功能，设计者可以选择使用一种满足所有相关安全条件的外部电源管理芯片。这意味着将分割功率输出和配置通道逻辑，也许在物理层和一块单独的电源管理芯片，或主系统CPU甚至一个专用的外部微控制器之间分割。

　　Synopsys 全面的USB控制器和物理层IP产品组合，已经被3000多项USB设计成功采用，并且已经通过约30亿只已发货的器件加以验证。这就是深入而直接的设计经验，使我们能够开发特别为与Type-C连接器共同使用而优化的USB3.1物理层IP，以及为了实现Type-C功能所必需的支持工具和验证环境——这使得设计者的工作更加简便。

　　“线”的问题

　　USB除了可以用来传输数据之外，还可以作为电力供应的手段。而最初的USB标准由于并不具备电力供应能力，因此USB 1.0及2.0的电力供应能力仅限于2.5w（0.5A/5v）。虽然这足以供应手机等小型电子设备，但是对于外界驱动器来说，显然远远不够。而USB 3.0就应运而生，它的供应值可达4.5w（0.9a/5v）。

　　而在USB 3.1标准下的USB Type-C接口的供电能力可以达到最高20V/5A，也就是100w，不仅可以满足手机充电的要求，还能够满足平板设备和计算机的充电需求；另外，在这种供电能力下，也可以免去其他用电功率较高的外部设备需要另接电源的麻烦。

　　另外，关于USB Type-C供电范围还有一些问题需要说明。其中有好也有不足。好消息是，USB PD 2.0标准未来可以直接为笔记本或平板电脑供电，同时还可以让智能手机作为作为移动电源使用。

　　另一方面不好的消息就是，暂时还没有所谓的全能USB线缆问世，这些线缆需要内置特殊的芯片，里面包含了关于线缆的信息。全功能的USB线缆需要能够承受1.5a或5v的电流，而这样的线缆造价要比普通的USB线缆高出许多。

　　Type-C芯片厂商以及产品方案

　　莱迪思（Lattice）：

UCB

　　德州仪器（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

　　意法半导体（STMicroelectronics，简称ST）：

　　STUSB16接口芯片采用意法半导体的20V制造工艺，集成短路、过压、过流等保护功能，无需加设外部电路，此外还提供电流设定值最高600mA的插接功率支持（VCONN），按照USB 供电规范（USB Power Delivery），集成双相标记编码（BMC，Bi-Phase Mark Coded）物理层（PHY，Physical Layer）的编码和解码逻辑电路。

　　赛普拉斯（Cypress）：

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

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

　　硅谷数模半导体公司（Analogix Semiconductor， Inc.）：

　　ANX7428，完美适用于基于X86的笔记本-4通道DisplayPort接口和USB超高速切换开关、DisplayPort交替模式、USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7418，完美适用于基于ARM的智能手机、平板电脑和运动型相机–两通道DisplayPort接口和USB超高速切换开关、搭载SlimPort发射器的DisplayPort交替模式、USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7408-USB超高速切换开关，搭载USB-C端口控制器和Power Delivery

　　ANX7409-USB超高速切换开关，搭载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。

　　创惟科技：

　　高性能USB Type-C™ SuperSpeed 集线器控制芯片GL3523S

　　恩智浦半导体（NXP）：

　　谱瑞科技：

　　该公司推出PS 8750与PS 8751两款整合型主动开关晶片，不仅可简化设计、降低成本，同时也可缩小系统尺寸。

　　PS 8750与PS 8751两款开关晶片整合了高速讯号Redriver线路、USB Power Delivery Controller和传输埠控制器（Port Controller），并支援USB Type-C电源（Power）传输等功能，为多功能整合晶片。此外，该晶片符合USB3.1 Gen 1规范，传输速率可达5Gbit/s，同时支援DisplayPort Alt Mode，传输速率高达5.4Gbit/s。

　　Type-c连接器产商及产品方案

　　富士康（FOXCONN）：

　　在众多厂商抢占芯片领域时，富士康则另找渠道，从连接器入手，迅速抢占USB Type-c另一高点。如下是富士康针对USB Type-c连接器的部分产品列表：

UCB ?