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安森美灵活小巧、低功耗USB Type-C方案加速系统设计
 

【CTIMES/SmartAuto 报导】   2018年01月26日 星期五

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安森美半导体为市场提供完整的Type-C与USB-PD解决方案,包含USB Type-C和USB-PD控制器、超高速开关、埠保护方案、转接驱动器等。这些解决方案支援双重用途埠(Dual Role Port;DRP)、下行资料流程埠(DFP)与上行资料流程埠(UFP),具备业界更低的功耗、更小的尺寸(小於MCU为基础的解决方案达95%),提供更简化和灵活的优势。

图1:安森美半导体的主要Type-C和PD产品

随着技术的演进和人们对充电功率与资料传输速率的需求不断提高,USB Type-C 应运而生。USB Type-C 是下一代 USB 连接器、埠和电缆的标准,支援双向电源和正反逆??,提供更高的充电功率和更快的资料传输速率,为使用者带来更隹的效能与更多的便利,也为设计人员和制造商提供简洁性,并将越来越广泛地运用於智慧手机、平板电脑、扩充基座(Docking Station)、转接器(Adaptor)等终端设备。

IHS预计2019年以USB Type-C为基础的设备出货量将超过20亿,占USB总市场潜在范围(Total Addressable Market;TAM)的40%。据 ABI Research统计,到2020年时,约一半的智慧型手机和93% 的笔记型电脑将和 USB Type-C 互连。

USB的出现可远追溯至1996年,当时推出的USB 1.0传送速率为1.5Mbps。随後2000年推出的USB 2.0传送速率提高至480Mbps,提供最大2.5 W(0.5A,5V)的功率,随後 USB 3.0的资料传输速度提高到5Gbps,最大功率提高至4.5W(0.9 A,5V)。而最新的第二代USB 3.1将资料传输速度提升至10Gbps 。

USB Type-C是新型的连接器。USB标准的原始设计是USB Type A,为扁平的矩形。Type A埠大多用於主机设备,如桌上型、笔记型电脑、游戏机和媒体播放器。USB micro B连接器则较小,主要用於周边设备。现在产业标准正在朝USB Type-C发展,支援USB 3.1和USB-PD,提供单一连接器/电缆,免除多个电缆和连接器造成的麻烦。USB Type-C埠最大功率可达15W(3 A,5 V)。对於USB 3.1而言,若采用支援USB-PD的Type-C连接器,最高功率可达100W(5 A,20 V)。

在智慧型手机、平板电脑等应用中,USB Type-C主要作为充电介面和用於超高速资料的传输,作为充电介面使用时,支援USB-PD和快速充电,通常仅有一个??槽。安森美半导体针对此类应用的Type-C及USB-PD产品主要包含支援PD(Power Delivery)的可编程的 Type-C 控制器FUSB302B、符合USB 3.1 Gen-II的Type-C超高速开关FUSB340、支援TCPC(Type-C Port Controller)的Type-C PD埠控制器FUSB307B、Type-C或USB2.0 D+/D-高速埠保护开关FSUSB242等。

当应用於电脑时,USB Type-C能够使用多个双重用途埠(Dual Role Port;DRP)和用於超高速资料的传输,并用作宽范围的电源输入/输出埠,安森美半导体针对电脑的Type-C 产品主要包含FUSB340 、FUSB307B、FUSB252等。

针对AC-DC转接器(Adaptor),产业设计正带动功率密度增加,需要支援可程式设计电源供应(Programmable Power Supply;PPS)。安森美半导体主要提供准共振(Quasi-Resonant)PWM控制器FAN604和具有取样率转换(Sampling Rate Conversion;SRC)预设状态的100W USB Type-C可程式设计的控制器FUSB302BT。

在支援USB 3.x的Type-C环境中可实现超高速资料传输,在此环境下的大多数应用皆需要一个转接驱动器来降低??入损耗,例如图像感测器、车载娱乐系统、平板电脑、游戏系统、手机、虚拟实境(VR)设备、主动式缆线(Active Cable)、印表机/扫描器、HD显示器、基座/集线器等。

电缆??入损耗可能会因不同的供应商、电缆衡量规则、类型而有所不同,而介面对於电缆损耗效能具有相当大的影响。FR4材料损耗因为线长、所采用的介质和布线(Cabling System)而有所不同。但电缆和FR4的损耗都取决於采用的资料速率。例如,9英寸FR4 以5Gbps传输时约有3.9db损耗,但以10Gbps传输时有6.9db损耗。如果用24英寸FR4 以5Gbps传输时的损耗从3.9db增至9.6db,以10Gbps传输时的损耗从6.9db增至16.8db。由此可见,其中增加的??入损耗,需要转接驱动器。

第1代与第2代USB 3.1能提供更高的资料速率,但会带来在USB主动式缆线(Active Cable)设计中减轻讯号完整性损失的挑战。主动式缆线(Active Cable)的长度和效能将推动对转接驱动器和高品质互相连结的需求,必须具备辨别速度能力,而尺寸和低功耗是关键。

效能出色的转接驱动器可减少符号间的干扰(Intersymbol interference;ISI),避免因不想要的讯号失真而影响传输,并且有助於符合USB3.x眼图(EYE Pattern)高度和总抖动规范。

安森美半导体的单通道(single-channel)转接驱动器如NB7NPQ701M、NB7VPQ701M和双通道(dual-channel)转接驱动器NB7NPQ702M、NB7VPQ702M支援USB 3.1应用,同时支援第一代USB 3.1(5Gbps)和第二代USB 3.1(10Gbps)资料率,扩展的讯号距离达36英寸FR4或5m电缆@5Gbps、达10英寸FR4@10Gbps。其单通道转接驱动器与同类元件相比,眼高(Eye Height)增加20%,抖动降低20%。

FUSB340作为10Gbps USB3.1的超高速开关,典型的频宽达10GHz,具有1.5 V至5V的宽电压(VDD)范围,提供2KV人体模式(Human Body Mode;HBM)静电(Electrostatic Discharge;ESD)保护,符合Jedec(Joint Electron Device Engineering Council)标准,主动式功率(Active Power)低於12uA,关断功耗低於 1uA,在2.5GHz时的??入损耗仅-1dB,采用18电源引脚(Pin)的TMLP小型封装(2.0mm x 2.8mm x 0.4mm),适用於手机、平板电脑、笔记型电脑、便於携带应用所需的可正反逆??的Type-C USB 3.1连接器的小型独立方案。

与其他竞争的解决方案相比,FUSB340 具有更宽的电源电压范围、更快的资料速率、更高的频宽、低??入损耗、更低的??入损耗差(-28dB)、更低的串音干扰(crosstalk)差(-44dB)、更低的电流(ICC)关断值(1uA)和ICC有源值(0.03mA)、更少电源引脚(Pin)数、更小封装(比竞争方案至少小40%)和更薄高度。

针对保护解决方案,安森美半导体采用两个ESD8704元件保护超高速线路,8个ESD7471 保护低速和辅助线路。ESD8704具有超低电容(Capacitance)、低静电(ESD)钳位(Clamping)元电压,接触及空气放电±30kV,满足IEC61000-4-2 Level 4,采用2.5 x 1.0mm μDFN封装。而ESD7471提供双向瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor),接触及空气放电±20kV,满足IEC61000-4-2 Level 4,具备1.0 x 0.6 mm2的小外形。

安森美半导体提供灵活且易於整合的USB Type-C和USB-PD控制器方案支援最新的USB Type-C标准,易於设置和配置,支援韧体(Firmware)/提供驱动器用於通用嵌入式控制平台(Embedded Control Platform),功耗仅为竞争解决方案的1/20,尺寸减少达95%,并针对USB3.x的超高速应用,提供转接驱动器、超高速开关和保护方案等全系列方案,对於USB3.x设计人员而言是一大福音,此外,透过安森美半导体的USB解决方案网页,用户能轻松获得关键应用的最隹化方案,加速他们的系统设计。

關鍵字: USB Type-C  USB-PD  安森美 
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