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導入 USB Type-C 連接埠的挑戰及設計解決之道
 

【作者: Kay Annamalai】   2021年05月27日 星期四

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USB Type-C介面具有前所未見的強大支援功能,但也比前幾代複雜許多,需要以系統級格局支援導入,才能獲得理想的成本效益。


從 USB 1.1 到 USB 3.2 及後續發展

自 1996 年首次問世以來,通用序列匯流排(USB)即統合多種不同類型連線的角色,並已普遍使用於運算型與消費性科技產品。由於它的出現,各周邊裝置如鍵盤、滑鼠、印表機、相機、外接式硬碟或其他裝置,可輕鬆快速連接至電腦。自此之後,周邊裝置的定義不再取決於其介面,用戶使用裝置時也不需費力準備多種連接線。


USB 1.1 資料傳輸的最高速率為 12Mbps;USB 2.0 為了滿足多種角色功能,包括播放串流視訊,以及將外接式硬碟資料快速傳輸至個人電腦硬碟等,此時最高速率已提升到 480Mbps。USB 的特定 VBUS 及接地引腳可供應最高 2.5W 功率(直流電壓 5V),因此外接式硬碟等小型裝置可透過 USB 介面獲得所需電力;筆記型電腦及行動電話也能透過該介面充電,無需連接其他電源供應器。2007年,智慧型手機業者導入手機USB充電介面,手機可經由標準 USB Type-A 接口充電,減少專用充電器的廢棄量。


現今消費趨勢下,智慧產品的嵌入式系統必須具備更大連線頻寬(例如高解析與 4K 超高解析串流視訊系統需投放至更大的螢幕,並和 GB 級高速硬碟交換資料)。為了因應快速增長的需求,於是出現了6Gbps 的 HDMI、8.1Gbps 的 DisplayPort以及 20Gbps 的 Thunderbolt 等新標準。


為了維持 USB 的領先優勢,USB 開發者論壇(USB-IF)率先發表 USB 3.2 規格,定義出三種傳輸速率:USB 3.2 Gen1(5Gbps)、USB 3.2 Gen2(10Gbps)及 USB 3.2 Gen2x2(利用雙線路(dual-lane)實體介面的 20Gbps),在消費市場上的名稱分別為 SuperSpeed USB 5Gbps、SuperSpeed USB 10Gbps 以及 SuperSpeed USB 20Gbps。


最近,USB4的支援傳輸速率已指定為 20Gbps(USB4 20Gbps)與 40Gbps(USB4 40Gbps)。USB4 可向下相容 USB 3.2、USB 2.0 及 Thunderbolt 3;在 USB4 帶來的變革中有一種連接導向通道結構,它允許數個協定整合於同一實體介面,並共享 USB4 結構的整體速度和性能。


實體連接方式升級

為了支援新的雙線路高速規格以及向下相容 USB 2.0 設備,因此需要新的實體介面設計。USB Type-C(USB-C)介面設計納入更多線路,供兩組差分數據訊號通道及USB 2.0 並聯運作匯流排使用,並新增 USB 電力傳輸(USB PD)規格的支援功能。這些支援功能包含兩組電源及接地引腳、一個通訊訊號通道;連接至訊號通道的裝置,可在舊 USB 2.0 5V 到最新 20V/5A 規格範圍間協調用電需求及供電能力。另預留邊帶使用(SBU)線路,供未來提升性能或新增功能時使用。



圖一 : USB-C 接口引腳(source:Diodes Inc.)
圖一 : USB-C 接口引腳(source:Diodes Inc.)

USB-C 考量使用者需求,進一步簡化連接器,接口允許纜線以任何面向插接;USB-C 接口有 24 隻引腳,滿足 USB 3.2、USB4 和 USB 電力傳輸(PD)規格下之大量電源及資料線路需求,並向下相容 USB 2.0,請見圖一。


此外,雙向介面設計容許纜線兩端使用相同接口,而且連接之設備可為主機或裝置,也可以是用電者或供電者。


導入 USB-C

新的引腳帶來更多彈性及需求,因此 USB-C 介面比以往的 USB 介面複雜許多。USB-C 連接的裝置可分為下行埠(DFP、源頭端)、上行埠(UFP、匯集端)或可作為資料和電力的源匯(source and sink)雙用途埠(DRP)。每種埠的應用都需要邏輯控制配置。偵測纜線插入面方向及正確切換訊號也是必要的,例如 USB 3.2 和 DisplayPort 連至 USB-C 接口時。此外針對 USB 2.0 訊號、電源開關與充電控制的多工處理,以及維持訊號完整性與暫態電壓保護的必要措施, 也是不可或缺的。


圖 2 顯示筆記型電腦或平板電腦內部之完整 USB-C 介面電路,此介面可對應支援 USB 3.2 和多媒體資料以及 USB PD 功能。



圖二 : 支援 USB 3.2 和多媒體資料以及 USB PD 的 USB-C 介面 (source:Diodes Inc.)
圖二 : 支援 USB 3.2 和多媒體資料以及 USB PD 的 USB-C 介面 (source:Diodes Inc.)

圖二中的雙向矩陣開關(Diodes 公司 PI3USB31532)是具有多工處理能力的整合型解決方案,可針對 USB 3.2 Gen2 (單線路,10Gbps SuperSpeed+) 和/或 DisplayPort 1.4 數據通道 (最多 4 通道)、使用 USB-C 接口的輔助通道進行多工處理。為確保在 10Gbps 速率時的訊號不失真,開關結合了低插入損耗和 8.3GHz 的 -3dB 大頻寬設計。


除了支援上述 PI5USB31532 功能,還可使用 6 通道 4 線路 PI3DPX1205A 主動式多工器。此多工器具有 ReDriver? 功能,可驅動更遠的傳送距離。其功能包括接收端線性均等化以及針對平整增益和均等化的輸出設定,確保訊號完整性是同級 CMOS ReDrivers 的兩倍。


USB 電力傳輸功能是由 PD 控制器執行,該控制器可透過 USB Type-C 接口提供高達 100W 的電力,並透過 USB Type-C 介面啟用多媒體資料(如 DP 或 Thunderbolt)的替代模式。


以 PI5USB2546A 為代表,充電埠控制、2.4A 電源開關以及USB 2.0 D+ 與 D- 資料線切換等功能全部整合,並支援 USB 電池充電 1.2 規格,包括下行充電埠(CDP)和專用充電埠 (DCP) 模式,可用於牆面充電轉接器以及主機與集線器設備。



圖三 : 智慧型手機導入 USB-C (source:Diodes Inc.)
圖三 : 智慧型手機導入 USB-C (source:Diodes Inc.)

圖三顯示智慧型手機的 USB-C 連接埠。此電路範例中使用 Diodes 公司 PI5USB31213A,包含 USB Type-C 配置通道控制器功能,以及 USB 3.2 Gen2 10Gbps 多工處理功能,可將資料正確送至非極化 USB Type-C 接口。根據 CC 引腳上偵測到的電壓位準,該裝置會處理主機模式、裝置模式或雙用途埠的自動配置。它還能偵測接口方向,並透過 USB Type-C 介面協調充電電流。另一個替代方案是 PI3EQX10312,它包含 PI5USB31213A 的所有功能,唯一的不同是多出一個 ReDriver,可驅動更長的追蹤距離。



圖四 : USB-C 擴充基座(source:Diodes Inc.)
圖四 : USB-C 擴充基座(source:Diodes Inc.)

在最後的範例中(圖四),一個通用擴充基座透過 USB Type-C 單連接埠接至上游主機,並設有 DisplayPort、HDMI、VGA 及多個 USB 3.2 輸出埠連接下游裝置 (如監視器和外接式硬碟),此外並提供 Gigabit 乙太網路連接埠。此處可以使用 USB Type-C 縱橫式切換開關 PI3USB31532 或 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 主動式縱橫切換開關 PI3DPX1205A 裝置,執行 USB 3.2 與 DisplayPort 的切換。圖中顯示的電源開關讓基座可透過 VBUS 引腳對主機電腦供電。DP 開關(例如 PI3WVR31310A)的輸出可直接連接至DP接口,或透過HDMI或 VGA轉換器分別接至HDMI和VGA接口。


結論

設備設計人員必須正視 USB-C 連接埠的複雜性,才能充分利用包括高達100W的電力傳輸、USB 3.2 和 USB4 資料速率,以及支援多協定在內的所有最新USB電源和資料功能。有多種整合解決方案可協助資料切換、電源開關、充電控制和纜線方向偵測,同時又能達到簡化設計、降低產品認證難度,以及節省機板空間和總材料成本的目標。


(本文作者Kay Annamalai為Diodes 公司資深行銷主管)


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