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关于USB Type-C连接器接口连接方式

  • 发布日期:18-10-23 08:54
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凭借其“插入式”简单性和传统通道传输,Type-C是用户将需要的最后一个连接器。但是现在设计师需要了解Type-C的负担。你有没有听说苹果在新的Macbook上选择了一个Type-C USB 3.1端口?它取代了除耳机插孔之外的所有其他端口。Type-C可用于:
 
USB 1.1 / 2.0 / 3.0 / 3.1
 
HDMI
 
以太网络
 
DisplayPort的
 
功率
 
音频
 
有更多的千兆位通道。
 
USB 3.1(Type-C)运行速度高达10 Gbps,支持100W充电,并且可以插入Apple iPad自己的Lightning连接器。据USB-IF贸易组织称,这是一个“20年连接器”,它看起来像是一个真正的赢家。其中存在设计师面临的挑战:处理嵌入式设计中的信号完整性和速度问题; 可容纳100W的功率,可以在任一方向流动!并将Type-C连接到上面列出的传统接口。
 
USB type c将要替代C型应用程序
 
 
 
图1:Type-C连接旨在替代所有这些
 
1:重新驱动(或不驱动)Type-C
专用于以高达10 Gbps的速度运行,USB 3.1的Type-C连接器可通过24条信号线将各种数据移动(图2 )。双向连接器(A侧和B侧)每侧有12条线,只有4条映射到USB 1.1和2.0(Vcc,Ground,D +,D-); 其余的用于差分信号或功率。
 
就像图1所示的USB Type-C的功能不够令人印象深刻,这12条线可以同时做很多事情。例如,Type-C电缆最多可以同时连接四个DisplayPort通道,或带有两个DisplayPort通道的USB 3.1,以及USB 2.0和USB-PD(电源传输)。另外,还可以混合使用HDMI,PCI Express和其他差分标准。该电缆支持2米或10 Gbps 1米处的5 Gbps。
USB连接器 C型引脚
 
 
图2:USB Type-C引脚和信号线
 
设计人员的收获是,电缆上有很多事情发生,而且在电缆两端的源和目标嵌入式系统中发生了大量的高速信号。这些10 Gbps线表示通过IC引脚,PCB走线,PCB过孔,柔性电缆或柔性电路,连接器和Type-C电缆本身的通道。
 
USB配置损耗
 
图3:各种USB合法配置的USB3.1 Gen 1损耗错误。
 
图3表示从一端(主机或双重角色)到另一端(设备或双重角色)的信道损耗分配。在C型到C型的情况下,由于它是双重作用端口,因此任何一端的损耗在6.5dB处都是相同的,并且对于20dB的总信道损耗,2米电缆组件的损耗分配为7dB。由于C型是可逆的,因此C型连接器将会出现多路复用。因此,PCB走线和多路复用器插入损耗必须包含在6.5dB以内。例如。假设USB主机将3“的PCB走线连接到多路复用器,1db损耗,另外3”连接到C型连接器。假设内部迹线的总损耗为3×0.8 + 1 + 3×0.8 = 5.8dB。因此它在损失预算内,因此不需要USB3转接驱动器。如果距离超过该距离,则在C型连接器之前需要一个转接驱动器。
 
 
图4:密集超移动设备PCB上的长USB 3.0迹线需要重新引导来清理信号并恢复信号完整性问题。在便携式平台中,外部电缆和柔性电路会增加SI问题。
 
在信号完整性(SI)术语中:对源的睁眼将很可能是目的地处的闭眼,因为数据和编码信号时钟遍历这个长且中断的信道。表1列出了一些典型的损失。
 
 
使用一个微型有源信号放大器,通过打开SI眼睛几乎奇迹般地修复了信号完整性问题。插入图4(右下图)所示的Source Type-C连接器之前的通道中,眼睛将被位于连接器附近的转接驱动器和通过Type-C电缆成功发送的信号打开。
 
图5显示了使用具有均衡和信号强调的5.0 Gbits / s Pericom PI3EQX7741AI再驱动器的USB 3.0通道的各种眼图。关键照片是最底层的图片,展示了转接驱动器如何打开视线并补偿源IC和Type-C连接器之间的所有SI边界。顺便说一下,所有这些仍然在源设备内(在Tx端)。
 
 
2:功率(全)选项
新型Type-C连接器可以处理高达100W的电力给显示器供电,或为笔记本电脑,笔记本电脑或2:1(图6)等大型设备充电。此外,电源可以在任何方向流动,因此您的智能手机可以为您的笔记本电脑充电(短时间)。USB-IF BC 1.2(电池充电)规范涵盖了以前的USB充电方案(请参阅本文“USB如何充电任何电子设备”)。Type-C的新规范涵盖在Power Delivery 2.0(PD)规范中(请参阅“超移动,便携式嵌入式系统的3大基本技术”)。 
 
 
图6:USB供电(PD)规范允许通过Type-C提供100W的功率,以直接为无数设备供电。
 
根据PD规范确定电源要求,选择电压和提供电流的机制非常复杂,并且基于USB-IF协议(鼓励读者查阅上述文章)。表2列出了按照PD规范的Type-C中的关键电源选项。
 
 
表2:USB C型电源选项。电力传输(PD)规范涵盖整个范围,包括早期的USB2.0,3.0和BC1.2电源规范。注意:Type-C中100W和双向电源
 
值得注意的是,新的100W(任一方向)PD选项如何与传统的BC 1.2规范共存。设计人员需要了解他们的系统需要提供什么样的功率要求,并且必须包含必要的充电,开关和枚举电路。除了最新的PD规范外,最大USB功率为15W(5V @ 3.0A),这对所有手持移动设备,便携式硬盘和USB
配件都足够了。只有笔记本电脑和显示器(可能不是“嵌入式系统”)可能需要> 50W(图7)。
 
 
图7:大多数手持式和嵌入式系统按照USB-IF的BC 1.2规范要求15W或更少
 
快速提示#2是Type-C提供无数种方式为电缆的任一端供电和充电设备。设计人员需要仔细阅读上面提到的USB-IF规范,并小心不要过度设计嵌入式系统。即:图8右侧的任何嵌入式或超移动设备都不需要100W充电。
 
完整配置的支持DisplayPort,传统USB 2.0以及GPIO和I2C串行的USB 3.0 Type-C系统如图8所示。这里不仅仅是为讨论目的而介绍的,这是一个真正的系统,显示了Type-C即使不使用USB 3.1也是如此。实际上,由于Type-C的功能(包括功率传输),许多设计可能会保留在USB 3.0中,同时如图所示整合备用通道。
 
图8中提供了Type-C PD控制器(由I2C或GPIO控制),允许上/下连接器插入的交叉开关以及用于充电器检测的枚举块(显示的两个器件:主机和器件侧)。对于需要小于100W最大功率(例如15W)的设计,不需要PD控制器。
 
 
图8:完全配置的Type-C USB 3.0系统,还包括USB 2.0,DisplayPort(DP)1.2和I2C / GPIO。
 
 
3:很难保留传统
参考图1,很明显Type-C连接器和电缆应该能够替代大多数传统串行接口,从PCIe到HDMI。它甚至会取代所有以前版本的USB连接器和电源适配器。
 
但是过渡到全C型的世界还需要一段时间。同时,嵌入式设计人员需要将一种信号类型转换为另一种信号类型。例如,系统内PCI Express将需要转换为运行Type-C,并可能与USB 3.0或3.1一起运行。DisplayPort,HDMI,SATA等将同样需要转换。这些转换中的大多数都会在源系统和目标系统中进行。
 
图9显示了一个系统中多个标准和连接器类型如何组合在一起的框图。该图显示了一个数字监视器的示例,其中使用Pericom器件将Type-C转换为Display端口和USB 3.0:PI3USB30532分离DP和USB3.0,提供USB3.0重新驱动的PI3EQX7742AI,提供DP多路复用的PI3WVR12412 / PI3VDP12412,提供USB 2.0交叉开关功能的PI3DBS3224以及为USB 3.0集线器提供USB 3.0交叉开关功能的PI3PCIE3242。
 
 
这是由Type-C供电的数字显示器。但是显示器还提供多种输出选项,包括:USB 2.0和3.0(B型)和DisplayPort 1.2-可能用于双显示器配置中的第二台显示器。
 
除了系统内信号转换之外,消费者可能会发现使用有源电缆为其进行转换很有用。当新的Type-C系统需要与传统系统连接时,这很有吸引力。一些电缆制造商已经在使用一端带有Type-C和另一端带有传统标准的电缆适配器。
 
电缆将包括嵌入式电路,用于在电缆本身内进行转换。那么为何不?USB 3.1 Type-C可以提供电源和通道连线,并且任何一端(或两端)也可以包含重新引导来应对任何信号完整性问题。
 
这里的快速提示外卖?尽管USB 3.1和Type-C的附加速度和特性,将有一段时间需要通过加密狗,对接或电缆转换器支持现有接口。
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