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安森美靈活小巧、低功耗USB Type-C方案加速系統設計
 

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

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安森美半導體為市場提供完整的Type-C與USB-PD解決方案,包含USB Type-C和USB-PD控制器、超高速開關、埠保護方案、轉接驅動器等。這些解決方案支援雙重用途埠(Dual Role Port;DRP)、下行資料流程埠(DFP)與上行資料流程埠(UFP),具備業界更低的功耗、更小的尺寸(小於MCU為基礎的解決方案達95%),提供更簡化和靈活的優勢。

圖1:安森美半導體的主要Type-C和PD產品

隨著技術的演進和人們對充電功率與資料傳輸速率的需求不斷提高,USB Type-C 應運而生。USB Type-C 是下一代 USB 連接器、埠和電纜的標準,支援雙向電源和正反逆插,提供更高的充電功率和更快的資料傳輸速率,為使用者帶來更佳的效能與更多的便利,也為設計人員和製造商提供簡潔性,並將越來越廣泛地運用於智慧手機、平板電腦、擴充基座(Docking Station)、轉接器(Adaptor)等終端設備。

IHS預計2019年以USB Type-C為基礎的設備出貨量將超過20億,佔USB總市場潛在範圍(Total Addressable Market;TAM)的40%。據 ABI Research統計,到2020年時,約一半的智慧型手機和93% 的筆記型電腦將和 USB Type-C 互連。

USB的出現可遠追溯至1996年,當時推出的USB 1.0傳送速率為1.5Mbps。隨後2000年推出的USB 2.0傳送速率提高至480Mbps,提供最大2.5 W(0.5A,5V)的功率,隨後 USB 3.0的資料傳輸速度提高到5Gbps,最大功率提高至4.5W(0.9 A,5V)。而最新的第二代USB 3.1將資料傳輸速度提升至10Gbps 。

USB Type-C是新型的連接器。USB標準的原始設計是USB Type A,為扁平的矩形。Type A埠大多用於主機設備,如桌上型、筆記型電腦、遊戲機和媒體播放器。USB micro B連接器則較小,主要用於週邊設備。現在產業標準正在朝USB Type-C發展,支援USB 3.1和USB-PD,提供單一連接器/電纜,免除多個電纜和連接器造成的麻煩。USB Type-C埠最大功率可達15W(3 A,5 V)。對於USB 3.1而言,若採用支援USB-PD的Type-C連接器,最高功率可達100W(5 A,20 V)。

在智慧型手機、平板電腦等應用中,USB Type-C主要作為充電介面和用於超高速資料的傳輸,作為充電介面使用時,支援USB-PD和快速充電,通常僅有一個插槽。安森美半導體針對此類應用的Type-C及USB-PD產品主要包含支援PD(Power Delivery)的可編程的 Type-C 控制器FUSB302B、符合USB 3.1 Gen-II的Type-C超高速開關FUSB340、支援TCPC(Type-C Port Controller)的Type-C PD埠控制器FUSB307B、Type-C或USB2.0 D+/D-高速埠保護開關FSUSB242等。

當應用於電腦時,USB Type-C能夠使用多個雙重用途埠(Dual Role Port;DRP)和用於超高速資料的傳輸,並用作寬範圍的電源輸入/輸出埠,安森美半導體針對電腦的Type-C 產品主要包含FUSB340 、FUSB307B、FUSB252等。

針對AC-DC轉接器(Adaptor),產業設計正帶動功率密度增加,需要支援可程式設計電源供應(Programmable Power Supply;PPS)。安森美半導體主要提供準共振(Quasi-Resonant)PWM控制器FAN604和具有取樣率轉換(Sampling Rate Conversion;SRC)預設狀態的100W USB Type-C可程式設計的控制器FUSB302BT。

在支援USB 3.x的Type-C環境中可實現超高速資料傳輸,在此環境下的大多數應用皆需要一個轉接驅動器來降低插入損耗,例如圖像感測器、車載娛樂系統、平板電腦、遊戲系統、手機、虛擬實境(VR)設備、主動式纜線(Active Cable)、印表機/掃描器、HD顯示器、基座/集線器等。

電纜插入損耗可能會因不同的供應商、電纜衡量規則、類型而有所不同,而介面對於電纜損耗效能具有相當大的影響。FR4材料損耗因為線長、所採用的介質和佈線(Cabling System)而有所不同。但電纜和FR4的損耗都取決於採用的資料速率。例如,9英寸FR4 以5Gbps傳輸時約有3.9db損耗,但以10Gbps傳輸時有6.9db損耗。如果用24英寸FR4 以5Gbps傳輸時的損耗從3.9db增至9.6db,以10Gbps傳輸時的損耗從6.9db增至16.8db。由此可見,其中增加的插入損耗,需要轉接驅動器。

第1代與第2代USB 3.1能提供更高的資料速率,但會帶來在USB主動式纜線(Active Cable)設計中減輕訊號完整性損失的挑戰。主動式纜線(Active Cable)的長度和效能將推動對轉接驅動器和高品質互相連結的需求,必須具備辨別速度能力,而尺寸和低功耗是關鍵。

效能出色的轉接驅動器可減少符號間的干擾(Intersymbol interference;ISI),避免因不想要的訊號失真而影響傳輸,並且有助於符合USB3.x眼圖(EYE Pattern)高度和總抖動規範。

安森美半導體的單通道(single-channel)轉接驅動器如NB7NPQ701M、NB7VPQ701M和雙通道(dual-channel)轉接驅動器NB7NPQ702M、NB7VPQ702M支援USB 3.1應用,同時支援第一代USB 3.1(5Gbps)和第二代USB 3.1(10Gbps)資料率,擴展的訊號距離達36英寸FR4或5m電纜@5Gbps、達10英寸FR4@10Gbps。其單通道轉接驅動器與同類元件相比,眼高(Eye Height)增加20%,抖動降低20%。

FUSB340作為10Gbps USB3.1的超高速開關,典型的頻寬達10GHz,具有1.5 V至5V的寬電壓(VDD)範圍,提供2KV人體模式(Human Body Mode;HBM)靜電(Electrostatic Discharge;ESD)保護,符合Jedec(Joint Electron Device Engineering Council)標準,主動式功率(Active Power)低於12uA,關斷功耗低於 1uA,在2.5GHz時的插入損耗僅-1dB,採用18電源引腳(Pin)的TMLP小型封裝(2.0mm x 2.8mm x 0.4mm),適用於手機、平板電腦、筆記型電腦、便於攜帶應用所需的可正反逆插的Type-C USB 3.1連接器的小型獨立方案。

與其他競爭的解決方案相比,FUSB340 具有更寬的電源電壓範圍、更快的資料速率、更高的頻寬、低插入損耗、更低的插入損耗差(-28dB)、更低的串音干擾(crosstalk)差(-44dB)、更低的電流(ICC)關斷值(1uA)和ICC有源值(0.03mA)、更少電源引腳(Pin)數、更小封裝(比競爭方案至少小40%)和更薄高度。

針對保護解決方案,安森美半導體採用兩個ESD8704元件保護超高速線路,8個ESD7471 保護低速和輔助線路。ESD8704具有超低電容(Capacitance)、低靜電(ESD)鉗位(Clamping)元電壓,接觸及空氣放電±30kV,滿足IEC61000-4-2 Level 4,採用2.5 x 1.0mm μDFN封裝。而ESD7471提供雙向瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor),接觸及空氣放電±20kV,滿足IEC61000-4-2 Level 4,具備1.0 x 0.6 mm2的小外形。

安森美半導體提供靈活且易於整合的USB Type-C和USB-PD控制器方案支援最新的USB Type-C標準,易於設置和配置,支援韌體(Firmware)/提供驅動器用於通用嵌入式控制平台(Embedded Control Platform),功耗僅為競爭解決方案的1/20,尺寸減少達95%,並針對USB3.x的超高速應用,提供轉接驅動器、超高速開關和保護方案等全系列方案,對於USB3.x設計人員而言是一大福音,此外,透過安森美半導體的USB解決方案網頁,用戶能輕鬆獲得關鍵應用的最佳化方案,加速他們的系統設計。

關鍵字: USB Type-C  USB-PD  安森美 
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