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USB Type-C技术与应用

2024-04-01 00:00:00

Type-C因其“快,,强,,,小”的特性,,,越来越多的产品开始采用Type-C接口,,未来Type-C将一统接口的天下。。。。

· Type-C是什么??

Type-C全称USB Type-C接口,,,,是一种USB接口形式。。。2014年USB Type-C推出后,,最先在应用在Nokia N1平板,,,,随后2015年初应用在谷歌Chromebook Pixel,,,,但真正为大众所熟知,,借助苹果超薄款Macbook的普及。。

Type-C是USB接口的一种连接介面,,,不分正反两面均可插入,,大小约为8.3mm×2.5mm,,和其他介面一样支持USB标准的充电、、、数据传输、、、显示输出等功能。。。。

Type-C主要有以下几大优势:

1)纤薄设计。。。接口插座端的尺寸约为8.3mm×2.5mm,,,,是标准USB Type-A接口尺寸的1/3。。。。

2)支持“正反插”。。。Type-C接口正面反面相同,,,支持从正反两面均可插入的“正反插”功能,,,解决了“USB总是插不准”的难题,,可承受1万次反复插拔。。。。

 

3)最大数据传输速度可达到10Gbit/秒,,就是USB3.1的标准。。。。

4)USB Type-C支持USB PD协议(即功率传输协议),,该协议可实现更高的电压和电流,,,,输送的功率最高可达100瓦,,,,可以自由的改变电力的输送方向。。。因此USB Type-C可以实现快速充电和双向充电。。例如,,用户不仅可以用笔记本为移动设备充电,,,可以利用其它设备或移动电源为笔记本充电。。。

5)极大的扩展性。。。。为了扩大对各种传输规格的整合,,,,Type-C制定了替代模式(Alternate Modes)进行支援,,,,包括高速影像传输的Displayport、、、行动装置多媒体传输的MHL、、、、以及英特尔主导的高速传输介面Thunderbolt 3、、、、主导超高画质影像传输介面的HDMI等。。。。

 

 

 实际应用中,,经常会有USB端口复用的需求,,如两个USB设置之间、、、、USB设备和调试接口或者USB设备和充电设备的充电类型判断接口等等,,,,但常常并不需要同时工作。。。在这种场景下,,,,使用USB开关是一个经济高效节能的方法,,,用较低的成本、、、超小的面积代价(1.4mm*1.2mm)和极低的功耗(1uA静态功耗)即可实现,,,,如帝奥的DIO32320系列,,,,这种方案也广泛为市场所接受,,具体应用如下图1所示。。

 

 

 

 

 图1 - DIO32320应用电路

近年来,,USB Type-C开关得到了广泛的应用。。。。“功能丰富多样,,,同时交互简便易用”,,,,这个特点在USB Type-C接口得到了很好的体现。。。。自USBIF 2014年发布USB Type-C的规范,,因功能丰富(同时支持数据、、、、音频、、、视频和充电)、、、便捷性(正反插)、、、、高速率数据传输、、数据和电源均可双向传输、、、、小尺寸等诸多优点,,,,广泛应用于笔记本电脑、、平板和手机中,,,,逐步延伸到各种配件包括TWS耳机等,,,有逐步统一电子设备接口的趋势。。。。

由于USB Type-C连接器中的各引脚极为靠近,,,相邻引脚的间距只有0.25mm,,,考虑到VBUS电压可高达20V,,,,降低的引脚间距增加了在接口受到高电流、、、、高电压的同时扭绞电缆、、、连接器内的碎屑积聚或者接口潮湿等都有可能导致Type-C接口的信号线接触到VBUS的高压,,,,下游电路可能会受到20V电压的冲击而损坏。。考虑到D+、、D-引脚离VBUS非常近(如下图2所示),,存在较大的风险,,,,为了保护下游的器件,,,,需要在D+、、D-上加上安全可靠的过压保护电路。。。。在以上图1的应用场景中,,当USB接口类型从Micro-USB接口切换到USB-C的接口,,DIO32320已经不能完全覆盖实际应用,,,,帝奥的DIO5000正是一款应运而生的芯片。。。

 

 

 图2 - USB Type C接口

DIO5000是一种高速、、低功耗的双刀/双掷(DPDT)模拟开关带20V过压保护功能,,,,支持从2.3V到5.5V电源供电。。。DIO5000设计用于在手持设备(如手机、、、、数码相机和笔记本电脑,,带有集线器或控制器)中切换高速USB 2.0信号。。。。

1)过压保护能力。。。。如下图3所示,,DIO5000在D+/D-引脚上有专用的过压防护电路,,,,当USB设备断电或通电时,,,该电路允许设备承受Vbus对D+或D-短路最高20V电压,,确保自身不被打坏,,,把高压和下游电路隔离开来,,,,保护下游电路。。OVP电路集成到开关芯片中也大大简化了设计,,减少了解决方案的尺寸,,解决了设计者实际应用中的痛点。。参考如下图

 

 

 图3 - DIO5000内部框图

如下图4所示,,,,当数据线上电压过高,,,DIO5000内部的OVP保护电路开始起作用,,,,最大电压高到5.5V时,,OVP就响应,,,,响应速度极快,,平均响应时间为10.4nS,,,,能很快速的断开连接,,,,保护内部电路不被高压加载而损坏。。

Vcc=3.3V 全带宽 VD=4.0-21V USB Load=50ohm Cusb+=5pF

最大为5.5V OVP响应时间为10.4nS

 

 

 图4 - DIO5000高压测试

2.)USB眼图。。。。总所周知,,,,USB眼图是衡量USB信号是否能很好的通过,,,或者说信号完整性的最重要的工具之一。。。眼图张开越大,,对噪音和抖动的容许误差越大,,,接收器判断信号的准确度越高,,对系统设计更友好,,,有更大的线损和寄生电容设计余量,,布局和走线的容错率更高。。。DIO5000在提供较好的保护功能,,确保USB信号良好的传输性。。。。下图5是DIO5000的眼图测试结果,,,,其眼图张开程度非常好。。

DIO5000

480-Mbps USB2.0 Eye Pattern for USB Switch

 

 

 图5 - DIO5000眼图测试

另外,,,考虑到便携式产品对功耗的要求,,DIO5000在设计时就力求最小化静态功耗。。。如上图3所示,,DIO5000在SEL和/OE管脚上都集成阻抗高达6MΩ的下拉电阻,,SEL管脚上的弱下拉电阻在省电的同时,,,,确保缺省状态下通道1被开通,,,/OE管脚上的弱下拉电阻确保上电后芯片即可工作。。

DIO5000的具体应用请参考下图6所示:

 

 

 图6 - DIO5000应用电路

DIO5000提供绿色QFN2*1.5-10的DIO5000QN10和DQFN1.8*1.4-10封装的DIO5000LP10,,,,提供客户设计的灵活性,,可工作于-40°C至+85°C的环境温度范围。。

 

 

 

 

 DIO5000QN10 DIO5000LP10

USB Type-C可以传输影音信号,,,,扩展为多种音视频输出接口,,如HDMI、、DVI、、、、VGA接口,,,,甚至能实现达到4K分辨率的扩展。。

USB Type-C具有纤薄设计,,,支持正反插,,,有更快的传输速率,,,,一根线就能整合充电、、数据传输以及影音传输功能。。。

· USB接口类型

Type-C,,必然也会有Type-A、、Type-B,,简单介绍一下USB接口家族的其他成员和实际用途。。。

 

 

 在这里需要注意的是,,,,现在大多数人搞不清USB3.1 Gen1和USB3.1 Gen2,,,最大的差别就是传输速率的不同,,USB3.1 Gen1的最大传输速率可达5Gb/s的理论带宽,,,USB3.1 Gen2的最大传输速率可达10Gb/s的理论带宽。。。所谓USB 3.1 Gen 1就是原来的USB 3.0,,,,USB3.1 Gen2才是真正的USB3.1。。。。由于Gen2标准USB3.1的兼容性解决方案尚未成熟,,价格较高,,所以现在大多数厂商宣称支持USB3.1标准的设备,,,,其实都只是使用了USB3.1 Gen1,,,,就是之前所认识的USB3.0。。。

· USB Type-C与USB3.1的关系:

现在很多人对USB3.1和Type-C这两个词之间的界限比较模糊,,因为出现的时间相近,,,误认为是同一个概念,,,,但事实上并不是。。

USB3.1是2013年推出的USB传输标准,,由USB-IF协会制定。。。。目前USB标准主要有以下几种,,,主要区别就在于传输速度上:

 

 

 通过对USB3.1的介绍,,能发现USB3.1和USB Type-C是两个概念。。。USB 3.1是一项传输标准,,,USB Type-C是一种接口形式(类型)。。。。所以,,USB 3.1标准可以支持USB Type A,,,USB Type B(Micro USB)以及最新的USB Type-C接口类型。。。。USB Type-C接口也可以采用USB2.0、、、USB3.0、、、USB3.1等传输标准。。

本文转自网络侵删


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