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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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