规划人员在为产品增加USB Type-C™衔接时需求了解的信息

在曩昔的几年里，有许多文章都对USB-C衔接器的长处交口称赞。除了它的万兆每秒（Gbps）带宽和替换方法视频功用之外，还有两个十分有价值的长处：可正反插的插头和智能大功率功用。可正反插的插头的价值清楚明了：咱们总算能够轻松接入设备，而不用翻转插头（一般需求两次）。但是，智能电源的存在让USB-C衔接器变得十分有用。

USB一直能够持续供电（只需求5V电压和小于1.5A的电流即可满意需求）。由于之前的Type-A和Type-B的外形尺寸约束，使其只能为小型电子设备（如U盘或键盘）供电，或许为手机等涓流充电设备供电。随后推出了USB-C这种新供电（PD）规范，它答应发送方和接收方在5至20V的电压下洽谈最高100W的功率输出。这意味着，只需一个小小的USB-C插头便可为更多产品供电，包括外部存储设备、电话、个人电脑、电动东西、医疗设备和很多其他产品。运用100W的输出功率，您安装在电动轿车里的简直任何设备都能够用USB-C端口充电（惋惜的是，轿车自身不可）。

现在，个人电脑和手机职业已在许多批量出产的终端体系中敏捷选用USB-C。最值得注意的是，iPhone支撑经过Lightning衔接器供电，而安卓手机则在大多数新机型中选用了USB-C衔接器供电。开始的USB-C和供电的规划十分复杂，触及许多外部组件和软件装备东西。现在，半导体职业中新产品的开展从USB-C的规划中可见一斑。那么，现在将USB-C增加到您的产品中需求做什么呢？

USB-C PD规划需求什么？

在产品规划中，第一步都是界说所需的功用集。在具有供电的USB-C体系中特别如此，由于支撑PD功用会直接影响体系本钱。PD自身增加了体系的本钱，因而终究产品有必要从供电功用中获益，以保证本钱的合理性。  

USB-C用处广泛，而且支撑除USB之外的其他数据类型，因而需求了解整个体系才干挑选适宜的USB-C组件。假如产品是存储设备或电池充电器，则无需为体系增加完结替换方法视频所需的本钱和固件。相反，假如体系是衔接到支撑DisplayPort的笔记本电脑的显现器，则有必要在规划中包括特定的端口操控器和组件。由于USB-C端口元件包括PD/USB协议、数据和电源，因而体系处理方案将包括USB-C供电端口操控器和模仿及电源组件。

一个最简略的USB-C运用是纯充电端口。在这种状况下，体系的规划意图是为与其衔接的设备供电和/或充电。这类体系的一个比如是轿车上的后排充电口、电动东西电池或房屋里的壁式充电器。 

图1：作为纯充电电源的USB-C端口框图

在本例中，完结体系所需的首要“物料清单”（BOM）组件列表相对较短:

· USB-C端口操控器——洽谈衔接和电源协议。

· 直流/直流转换器——将输入电压转换成PD协议需求的Vbus电压。

· 负载开关——在插入时向Vbus供给5V电压，在树立PD协议后，衔接恰当的Vbus电压。有时会与直流/直流转换器结合运用。

· LDO——调理端口操控器的电压，由于直流/直流或许需求供给5至20V的电压。

· USB-C接口

本例中端口操控器的挑选要求操控器能够处理其与衔接设备之间的一切协议。现代独立操控器（如Microchip供给的操控器）至少包括以下功用：

· 支撑衔接检测和操控的USB-C衔接器

· 契合USB供电规范3.0的MAC

· 预编程供电固件

· 支撑一切规范供电装备文件（15/27/45/60/100W）

· 集成下降BOM本钱和规划复杂性的精选模仿组件。衔接所需的示例包括：

o 支撑Rp/Rd切换的VCONN FET

o 电量耗尽Rd端接

o 针对过流状况的可编程电流检测功用

o 针对过压状况的电压检测功用

· 适用于运用的温度支撑

由于这是一个纯充电的示例，因而不需求其他体系操控器。尽管有些供货商供给可编程器材，但纯充电处理方案的逻辑挑选是预编程产品，没有软件要求，体系装备经过简略的器材装备脚（接地或Vcc衔接）完结。只需操控器契合PD 3.0规范，用户就能够拜访一切规范电源装备文件：15W/27W/45W/60W/100W。

关于直流/直流转换器，转换器类型的挑选首要取决于输入电压。电源有必要一直能够供给5至20V的输出电压，才干完全契合PD规范。关于具有24 VDC输入或电压大于20 VDC的体系，根本降压拓扑结构能够供给经济高效的处理方案。关于低压直流或离线沟通供电体系，则需求选用其他拓扑结构。

图2给出了一个针对图1的修正示例。在这种状况下，规划人员挑选了为数据传输供给USB2主机支撑，由于其现有产品选用了一个原生支撑USB2的单片机。请注意，端口操控器不需求任何与USB2数据途径的衔接。无需额定组件，USB-C端口BOM与纯充电处理方案相同。假如MCU/体系操控器支撑USB3，也能够经过简略增加USB3多路复用器来增加USB3（支撑USB-C插头的正反插）。在本例中，运用独立的USB-C预编程端口操控器也是将单个USB-C端口增加到现有产品中的最简略处理方案。

图2：作为电源的USB-C衔接框图（包括USB2数据）

USB功用架构的顶端是依据集线器的体系，如图3所示。依据集线器的规划供给了一切USB架构中最高的灵活性和功用，一起减轻了中央处理器的通讯担负。这种类型的体系一般用于个人电脑坞站和显现器、轿车中心操控台以及任何需求多个USB衔接的场合。和前面的示例相同，这种规划的第一步是确认功用集。在个人电脑运用事例中，视频信号很或许经过USB-C端口传输，这需求支撑替换方法功用。因而，与上述纯充电或充电加USB数据示例比较，此示例的端口操控器有必要能够支撑替换方法功用，而且体系有必要包括所需的电路，以办理经过替换方法通道传输的协议的方向和解析。

图3：依据USB集线器的根底架构，支撑Type-A端口、Type-C端口和替换方法

该体系中运用多端口“智能集线器”，可为规划人员供给更高效的体系级规划。尽管规划人员能够轻松购买一个功用更丰厚的端口操控器并将功用分隔，但运用集线器中的操控器作为端口操控器能够下降本钱与处理开支。这在多端口体系中特别如此，在这些体系中，数据移动或功率运用的和谐十分重要。

此示例论述了端口操控的一个改善方法，跟着越来越多的操控器和处理器中带有USB-C功用，这种方法变得越来越遍及。一切USB-C操控功用（如端口战略办理、供电、替换方法支撑和布告栏支撑）都坐落集线器内。在这种架构中，独立端口操控器被收发器替代，收发器包括USB-C接口的物理层，类似于以太网的规划方法。

为了支撑替换方法功用，该规划包括一个外部交叉开关多路复用器，可将视频数据重定向到DP衔接器以支撑外部显现器。该体系还展现了当今体系中常见的USB-A和USB-C衔接器的实践组合。

为了处理当时对数据和网络安全日益重视的问题，该规划还包括一个安全IC，答应对体系固件进行安全更新。Microchip的ECC608A等高度安全器材答应规划人员经过运用NIST、SHA-256和HMAC散列以及AES-128加密来保证代码的安全性，甚至连制造商也不知道一切者的密钥。

上述体系BOM示例的新增内容包括：

· USB多端口智能集线器——包括操控器和多个USB衔接。

· 交叉开关多路复用器——将各种数据通道转移到不同的方位。

· DP衔接器——衔接到视频显现器。

· Type-A衔接器

· Type-A电源

· 安全IC——答应更新集线器的安全代码。

· 每个端口的USB-C收发器  

· 每个USB-C PD端口的直流/直流转换器

运用具有集成供电的USB智能集线器还能够完结其他体系级功用。包括HostFlex技能的高档体系（其间任何Type-C端口都能够成为体系主机）让用户无需考虑衔接的端口即可接收显现和输出功用，然后供给了更高档别的灵活性和功用。运用功率平衡，还能够经过了解体系可用的总功率并履行用户界说的功率分配算法来进步体系的灵活性。用户能够依据衔接次序、设备类型、衔接的设备数量或这些条件的某些组合来决议是否供电。完结这些功用的技能是Microchip智能集线器，它可和谐一切并行USB-C PD端口衔接的渠道级办理。在Computex 2018上，Microchip展现了可在带有集成PD的最新系列USB 3.1多端口智能集线器上完结的体系级功用，如HostFlex、多主机（并发主机功用）和功率平衡。

总结

USB-C是一种终究使多种类型的数据和多种功率等级在单个衔接器中共存的衔接器。运用智能集线器规划能够轻松完结HostFlex和功率平衡等高档体系功用，而根本充电电路能够经过简略和可装备的端口操控器来完结。未来的设备将持续进步集成度并下降完结难度。

规划人员不用为将USB-C增加到其规划中的使命忧虑，由于半导体公司（如Microchip）正在出产共同且功用强大的端口操控器、收发器和配套的直流/直流转换器，以及简化规划工作和下降危险所需的支撑。