作者：Steven Keeping
关键词：连接器，工作原理
最新的USB连接器/电缆、功率传输 (PD) 和协议规范（分别为USB Type-C、USB PD 3.0 和USB 3.2）进一步提高了连接器的易用性、USB的数据吞吐量和功率传输能力。然而，那些渴望使用新规范的设计人员却发现自身面临着诸多实施挑战。尤其是新规范支持高电压和大电流，可能会导致不兼容外设损坏，造成电缆、连接器和端口过热。
尚不熟悉USB Type-C和USB PD的开发人员，必须设法在具有适当软件接口的受控环境中试验这些新技术。USB芯片供应商已经对此作出回应，推出了配备软件和电路板的评估套件 (EK)，其中包括电源、用于连接PC的USB接口以及最新一代的USB芯片。借助这些EK，开发人员可以利用带用户友好界面的成熟设计来获取USB Type-C和USB PD的配置经验。此外，这些EK也可用作开发人员原型开发的参考设计。
本文将概述最新USB Type-C规范的关键属性，并阐示一些实施难题。另外，还将介绍ON Semiconductor、STMicroelectronics和Texas Instruments推出的套件，并展示如何使用这些套件来安全探索USB新技术的功能。作为评估套件和评估板基础的集成组件可用于新产品设计，从而提高性能，节省空间并减少元器件数量。
为何要升级为最新USB规范？
将产品升级为最新USB规范的主要原因包括：
- 便利性更高：USB Type-C基于紧凑型可逆插头连接器，更适合现代消费类电子产品的外形尺寸，让消费者使用更便利。
- 吞吐量更大：USB 3.2（于2017年推出，现已统合所有先前的USB 3.x规范）数据速率高达20 Gb/s。
- 功率更大：USB PD 3.0提供功率高达100W (5A x 20V)，可为平板电脑和便携式计算机快速充电。
USB Type-C连接器对于USB 3.2第2 x 2代规范必不可少，今后该标准的新版本将只兼容这类连接器（而不兼容Type-A和Type-B连接器）。该规范定义了24针连接器，即四个+5 V接地引脚、两对用于USB 2.0数据总线差分信号、四对用于SuperSpeed数据总线、两个“辅助”引脚、用于有源电缆的VCONN +5V电源，以及用于电缆方向检测和连接管理的通道配置 (CC) 引脚。请注意，在特定应用中引脚使用有所不同，具体取决于所采用的通信协议和功率传输要求（图1）。
（图片来源：Texas Instruments）
“全功能”USB Type-C连接器和电缆支持最快的USB数据速率。例如，使用USB Type-C时，设计人员可以选择USB 3.2第1代 (SuperSpeed 5Gb/s)、USB 3.2第2代 (SuperSpeed 10Gb/s) 或USB 3.2第 2×2 代 (SuperSpeed 20Gb/s) 协议。请注意，若使用“非全功能”USB Type-C连接器和电缆组合，则不适用于最新规范支持的功能。下文只探讨使用全功能USB Type-C硬件的设计。
借助USB Type-C，设计人员还能充分利用USB PD 2.0/3.0供电协议允许的USB PD最高电压和最大电流。自USB PD 2.0起，规范定义了5V、9V、15V和20V四个电压电平。此外，电源最大输出功率还支持0.5W至100W之间的任意值，而非USB PD 1.0标准的六个固定功率水平。功率超过15W的电源电压为5V和9V，超过27W为5V、9V和15V，超过45W为5V、9V、15V和20V。各种电压和电流组合称作“功率分布”。
尽管功率水平灵活配置具有诸多优势，但该技术支持的高电压和大电流却增大了实施复杂性，并带来若干奇特的设计挑战。例如，USB PD需要新增端口控制器，以协调和实施USB PD功率发布。短时间内，惯用USB Type-A的设计人员可能无法适应这些差异，因而导致设计决策不合适或具潜在破坏性的风险增大。
例如，带USB PD的USB Type-C系统可通过USB A转C电缆连接至USB Type-A端口；USB Type-A端口的VBUS保持在5V左右，而带USB PD的USB Type-C端口可在5A下提供高达20V电压。因此，电流将从VBUS电压较高的端口流向另一端口，但是许多USB Type-A端口功率开关不具备反向电流保护，因而可能会因高电压而损坏。（有关USB Type-C和USB PD设计的更多信息，请参见Digi-Key文章“USB Type-C 设计和使用功率传输进行快速充电”。）
USB Type-C复杂性管理
USB Type-C和USB PD可通过可配置的电缆、接口和功率设置实现多功能性。USB Type-C连接器使用CC引脚进行电气检测和连接配置。USB Type-C端口可以作为仅主机、仅设备（以传统 USB 主机和设备运行）或双角色端口 (DRP)；主机是下行端口 (DFP)，设备是上行端口 (UFP)。
USB Type-C的其他优势包括：
- 双角色端口可重新配置。例如，便携式计算机通过显示器充电时可作为 UFP，而为微型风扇供电时可作为DFP。
- 可根据需要配置VCONN，以确定VBUS使用USB Type-C标准电源或USB PD。
- 支持可选的备用和配件模式。
使用端口控制器与PD控制器配合协调电源要求和方向，例如不会用智能手机等电池容量不大的设备为便携式计算机等大功率设备供电。端口控制器通常包括嵌入式微控制器，因而无需外部设备来监控电力交易。
为了有效管理复杂性并确保设计成功，USB芯片供应商推出评估套件，为设计人员提供经优化的受保护电路进行试验，评估配置以选择最适合应用的USB Type-C和USB PD。例如，ON Semiconductor的STR-USBC-4PORT-200W-EVK是一款200W、四端口USB Type-C EK。该套件具有多个输出电压，分别为5V、9V、15V和20V，最大电流为5A，每个端口的最大输出功率为100W，开发人员可藉此探索USB PD 3.0的功能。由于受电源限制，该EK四个端口的最大总输出功率为200W。
STR-USBC-4PORT-200w-EVK包括USB PD端口控制器、高压保护开关和降压电源控制器。此外，该套件还配备了AC/DC电源，输入电压为90V – 265V，内置过流和热保护。该EK随附ON Semiconductor的Strata软件，其中包括配置工具，可用于功率分布测试、各种故障和折返功能试验、系统遥测监控，并为连接的设备提供可变充电负载（图2）。
图 2：ON Semiconductor的 USB Type-C EK包括 200W AC/DC前端和四端口 USB PD输出。
（图片来源：ON Semiconductor）
该EK的端口控制器采用ON Semiconductor的FUSB307B，旨在实现带USB PD功能的USB Type-C端口控制器 (TCPC)。作为TCPC，该芯片符合USB PD接口规范，具有用于USB Type-C端口管理器 (TCPM) 的标准化接口，并集成用于手动连接/断开检测的USB Type-C检测电路。该芯片可自动处理时间关键型PD功能，而无需使用系统微控制器或 TCPM。
就这方面而言，STMicroelectronics推出了STEVAL-ISC004V1 USB PD EK。该EK是一款即用型USB PD源，基于该公司的STUSB4710A USB PD控制器，演示了如何将固定电压的直流电源输入转换为USB PD可变电压输出。USB PD控制器通过USB Type-C的CC引脚进行通信，以协调传输至连接设备的给定功率，无需微控制器支持即可处理与DFP或UFP的连接。
此外，Texas Instruments (TI) 还推出了USB-CTM-MINIDK-EVM，一款USB Type-C坞站接口EK（图3）。该EK是一款USB Type-C坞站参考解决方案，包括USB PD、音频、USB数据、电源和视频；通过USB Type-C PD主端口支持拉出和灌入电流功能。由外部USB Type-C充电器供电时，坞站可在3A下提供5V电压，在5A下提供12V至20V电压。
该EK包括：
- TUSB8041：四端口USB 3.0集线器控制器，通过DFP和UFP均可提供SuperSpeed USB 连接。
- TUSB321：TCPC用于检测端口连接/断开、电缆方向和角色。该芯片可配置为DFP、UFP或DRP。
- TPS65982：USB Type-C控制器用于USB PD协调和启用电源路径。
图 3：TI的 USB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-C接口 EK是一款 USB Type-C坞站参考解决方案，包括 USB数据、USB PD、音频和视频。
（图片来源：Texas Instruments）
ON Semiconductor、TI和STMicroelectronics的EK可协助工程师完成带USB PD的USB Type-C设计设置和配置。
使用ON Semiconductor的EK开发需借助该公司的Strata Developer Studio。首先，开发人员需向EK施加交流电压，使用USB Mini-B电缆将其连接至PC，登录并允许PC检测EK，下载相关内容。
开发人员可对系统进行基本设置，包括最大系统功率（从30W至200W），该设置可确保四个端口的总PD“合同”不超过交流电源的总功率；以及“保证功率”设置，即端口1始终按分配输出功率，而其他端口共享剩余功率。此外，还提供故障保护设置，可用于确定指示故障状态的温度阈值。
然后，开发人员就可以着手测试各种端口设置，包括：
- 端口最大功率：设置后所有合同均不得超出该限值
- 限流：0至6A
- 电缆补偿：拉电流较高时，减少灌入设备的电压降
- 功率分布广播：插入设备后，将显示提供给灌入设备的功率分布列表
再者，开发人员可以访问浏览器，其中详细列出USB端口的总输入电压和功率，以及各个端口的功率分布 (V)、PD合同 (W)、输出电压和功率、温度和能效等相关性能信息。该 EK 可连接示波器以显示VBUS转换等详细性能信息（图4）。
图 4：ON Semiconductor的 USB Type-C EK可连接示波器以详细分析该芯片的工作特性。
（图片来源：ON Semiconductor）
STMicroelectronics EK的工作方式与ON Semiconductor EK类似。连接22V（最小值）直流电源和带USB Type-C连接器的外设后，通过I2C接口，即可从非易失性存储器将该EK的板载USB PD控制器设置读取至PC。然后，开发人员通过PC接口重新配置最多五个PD电压和电流输出、峰值电流、欠压和过压锁定。在PC上完成设置后，可将配置编程导入USB PD控制器的存储器，用于为连接的外设供电。
TI的EK则需要与该公司的USB Type-C使能板配合使用。使用USB Type-A转USB Type-B电缆和DisplayPort电缆，将使能板连接至PC，再使用USB Type-C电缆将EK连接至USB Type-C使能板。然后，开发人员就可直接在PC上测试USB 3.0集线器、TCPC和USB Type-C控制器的配置。
总结
USB Type-C和USB PD为消费者带来便利，提高了吞吐量和功率传输能力，可为连接的外设供电，也可为其电池充电。不过，该技术也相应增大了复杂性，给惯用USB Type-A系统的开发人员带来相当艰巨的实施挑战。
如上所述，尚不熟悉USB Type-C和USB PD的开发人员，现可利用主要USB芯片供应商推出的评估套件，通过用户友好界面以受控方式进行技术试验。此外，这些EK也可用作开发人员原型开发的参考设计。
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