提供USB Type-C连接 - 您需要了解的内容

USB Type-C有望成为我们所有高速串行连接梦想的答案。头条新闻大肆宣扬其更高的速度和更高的电力传输能力,但可能引起大多数人注意的是完全可逆的连接器设计,既不是键控也不需要在电缆对面的不同连接器。然而,必须提供此功能的电缆和端口不再是哑机电连接,而是需要额​​外的嵌入式智能来支持这些增强功能。

USB的演变 - 简史

要充分了解USB Type-C可以提供的内容以及我们需要它的原因,我们首先需要了解它是如何构建在以前的USB标准之上的,哪些功能是真正的新功能,以及如何利用这些新功能。通用串行总线(USB)的历史跨越了近二十年。最初的规范 - 现在称为USB 1.0--迅速发展到1.1版,它被广泛用于连接计算机外围设备。

USB1.x支持1.5Mbps的低速数据速率和12Mbps的全速率,适用于需要从人机界面(如操纵杆,鼠标和键盘)到打印机和外部磁盘驱动器的设备。电缆一端提供A型主机插头,另一端提供B型设备插头,以确保电源仅从主机到设备的下游。如果要将一台计算机连接到另一台计算机,这种双类型插头配置可防止电气过载或损坏的可能性。

USB 2.0将数据速率提高到480Mbps - 比USB 1.x提高了40倍 - 以支持更高速外设的需求。除此之外,数码相机和早期智能手机等小型设备的出现促成了Mini-B连接器的推出,随后推出了更薄的micro-A和micro-B连接器,可以更轻松地集成到平板电脑和更新的智能手机中。

较新的迷你和微型AB连接器还允许USB On-The-Go(OTG)兼容性。OTG允许两个USB设备通过允许某些设备在给定情况下充当主机来彼此通信。例如,智能手机在连接到计算机时可以用作大容量存储设备,但是当连接到诸如闪存驱动器或数码相机的另一存储设备时可以成为主机。

USB 3.0于2008年11月推出,通过5Gbps SuperSpeed规范进一步提升数据速率。今天,自从2013年7月发布USB 3.1以来,这个版本通常被称为USB 3.1 Gen 1,将数据速率提高到10Gbps。更高的数据速率被称为SuperSpeed +,但现在更常被称为USB 3.1 Gen 2. USB 3.0还带来了新的格式micro-B SuperSpeed插头,同时保持与USB 1.x / 2.0的向下兼容性较低的数据通过一系列允许的插头/插座排列率。

 

图1 2014年引入USB Type-C之前USB标准的历史(由SlideShare撰稿人Rainny Tu提供)

 

随着数据速率的提高,USB evolution已经提升了标准的功率传输能力。最初,USB提供总线电源(V BUS)从主机或上游设备到标称5V电平的下游设备。单个单元负载支持低功耗器件,功耗高达100mA,即0.5W。高功率设备指定为相当于五个单位负载或2.5W。SuperSpeed(USB 3.x)器件的低功率和高功率额定值分别为0.75W和4.5W。USB现在还支持电池充电,能够通过专用充电器或提供专用充电端口(DCP)或带有数据信号的充电下游端口(CDP)的主机向终端设备提供高达25W的功率。 。基于这一切的是USB电源传输(PD)规范,该规范于2012年7月完成,允许支持PD的设备从兼容主机调用更高的电流和电源电压。该PD规范允许在5V时高达10W,

 

USB Type-C的传统挑战

很明显,拥抱多年来开发的USB规范的传统对USB Type-C提出了非常严峻的挑战。尽管USB-C规范在USB 3.1发布仅一年后就已经完成,但该规范不仅仅引入了新格式的可逆连接器。USB Type-C的可逆特性需要一些智能,以确保无论电缆连接方式如何,都能正确识别和路由电源和数据信号。但是,与Apple Computer的可逆Lightning连接器不同,USB-C逻辑不必嵌入电缆中; USB Type-C为无源有源电缆提供功能支持。

USB-C连接器将引脚数量从类似尺寸的5针微型和微型USB连接器增加到24个引脚。这种增加对于实现插件方向翻转是必要的,同时允许将来扩展性能和功能。例如,现在有一种USB定义的方法,用于以备用模式和附件模式的形式实现创新。USB Type-C还必须能够解析主机和设备角色,以确保正确的USB总线操作,包括支持“双重角色”产品,例如用于OTG兼容性。

 

 

图2 24针USB Type-C连接器的引脚分配和主要信号分配(由OFweek.com提供)

 

自然Type-C继续支持先前协议定义的总线供电,但它超出SuperSpeed 4.5W限制,允许5V的电流为1.5A和3.0A,即比常规V BUS连接高15W Type-C完全支持Power Delivery 2.0规范,要么使用双相标记代码(BMC)编码配置线协商增加的USB电流,要么利用有源,电子识别的USB Type-C电缆,以实现更大的多功能性。要为有源电缆,带电子标记的电缆或外部设备供电,C型通过专用V CONN引脚提供第二个电源

解决USB Type-C拼图

USB Type-C提供了许多不同的功能模型,需要大量潜在的电路解决方案。下面的图3说明了一个这样的模型,表示通过全功能电缆将主机连接到设备,其中电缆的CC(命令和控制)线确定电缆的方向。该模型演示了主机和设备端口中对CC逻辑的需求,主机也提供了V CONN开关。逻辑需要解决电缆的端到端方向(翻转或未翻转)并确定电缆是直的还是扭曲的。因此,四种可能的数据路径中的一种是可能的:如通过主机和设备上的TX1和RX1信号所示,处于未翻转但直接连接(CC1连接到CC1); 从主机TX1和RX1到设备TX2和RX2处于未翻转但扭曲的连接(CC1到CC2); 并且在翻转模式中是直的或扭曲的(分别是CC2到CC2和CC2到CC1)。

 

图3具有全功能电缆的USB Type-C功能型号,其中CC线确定方向(Courtesy USB Implementers Forum 2015)


根据逻辑检测到的特定连接的这些排列中的哪一种,各种信号驱动器,接收器和多路复用器或开关起作用。但是所有这些功能都需要存在于完整的Type C实现中。幸运的是,许多为USB 3.1 Gen 1和Gen开发的接收器/驱动器和多路复用器可用于Type-C应用。例如,PI3USB31532 6:4差分通道交叉开关信号开关支持多路复用USB3.1 Gen1(5Gbps)或Gen2(10Gbps)和DisplayPort DP1.2(5.4Gbps)或DP1.3 / 4(8.1Gbs)的各种组合发信号到USB-C连接器。同样,提供USB3.1 Gen2接收器/驱动器功能的PI3EQX1002 ReDriver可用于USB-C设计,以通过电缆或PCB走线扩展高速信号。 
PI3USB31532
例如,6:4差分通道交叉信号开关支持多路复用USB3.1 Gen1(5Gbps)或Gen2(10Gbps)和DisplayPort DP1.2(5.4Gbps)或DP1.3 / 4(8.1Gbs)信号的各种组合USB-C连接器。同样,
PI3EQX1002
 ReDriver提供USB3.1 Gen2接收器/驱动器功能,可用于USB-C设计,以通过电缆或PCB走线扩展高速信号。

 

对于支持USB充电和电源传输的电路,同样的可重用性也是如此。例如,在主机端,PI5USB2546A可用作USB充电端口控制器和电源开关,带有集成的高速数据线(D + / D-)开关,支持鼠标/键盘唤醒的睡眠模式充电。在设备方面,PI3USB9281C可为充电器检测提供过压和过流保护功能。

PI5USB2546A
可作为USB充电端口控制器和电源开关,带有集成的高速数据线(D + / D-)开关,支持鼠标/键盘唤醒的睡眠模式充电。在设备方面,PI3USB9281C可为充电器检测提供过压和过流保护功能。

 

用于USB-C设计的集成设备现在也正在出现。的。例如,PI5USB30213提供USB 3.1 Gen 1 mux,具有主机,设备和双角色模式,具有完整的CC插头方向检测功能。对于更高速的USB 3.1 Gen 2,PI5USB31213提供相同的功能。传统3.x和新设备的可用性将有助于简化设计人员使用USB Type-C格式的过渡。

结论

USB Type-C采用现代,紧凑和可逆的连接器格式,使USB连接更新。通过在连接器端口添加智能并在适当情况下使用有源电缆,可以在USB Type-C中实现与早期实现的向后兼容性 - 这对于在如此长时间内发展的任何标准来说都是不可避免的挑战。与主机和设备配置和功能的所有后续排列竞争需要各种信号驱动器,接收器和多路复用器或开关。幸运的是,已有可用的高性能但低成本的IC解决方案。

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