用于大電流PD電源適配器的USB線纜設(shè)計要點

前言

隨著USB PD快充在筆記本電腦、手機(jī)等移動設(shè)備上的快速普及，我們了解到不少大電流PD電源適配器會搭配一根搭載電子標(biāo)簽芯片(eMarker芯片)、5A電流等級的USB-C 轉(zhuǎn)USB-C線纜。

EN 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輸入功率在75W以上的電子產(chǎn)品必須帶功率因數(shù)校正(PFC)功能，所以傳統(tǒng)的AC-DC電源適配器一般輸出額定功率為65W。這樣輸入功率可以控制在75W以內(nèi)，以節(jié)省了PFC電路的成本。隨著PD快充的興起，很多PD電源適配器沿襲這種功率等級，做成65W的額定功率輸出。這樣在20V電壓輸出時，額定輸出電流是3.25A。相關(guān)產(chǎn)品介紹見《線體分離：小米USB-C電源適配器(65W)CDQ07ZM拆解》和《聊一款華為65W PD充電器》。

USB Type-C規(guī)定了搭載eMarker芯片的場合，如表一所示。65W電源適配器的額定輸出電流為3.25A，必須用到5A電流等級的線纜，必須搭載eMarker芯片。即使不考慮USB3.1高速信號傳輸?shù)男枨螅?A電流等級的線纜必須搭載eMarker芯片。需要說明的是，如果線纜不搭載eMarker芯片，即使電源適配器能夠輸出65W或以上的功率，設(shè)備也只能以最大3A電流、最高60W的功率抽載，電源適配器仍然達(dá)不到輸出65W功率的要求。

表1. USB Type-C規(guī)范規(guī)定了搭載eMarker芯片的場合

下文說明了用于大電流PD電源適配器、搭載eMarker芯片的USB2.0 USB-C線纜設(shè)計要點。而5A電流等級的USB3.1高速線纜也可以用于同樣的充電場合，但是成本要貴很多，不在本文的討論范圍。

USB-C線纜的線路電壓降規(guī)范

USB Type-C規(guī)范定義了USB-C線纜流過電流時候的最大電壓降。包含USB-C公頭和USB-C母頭的所有電壓降在內(nèi)，線纜流過額定等級電流時，GND線上的最大電壓降是250mV，而VBUS上的最大電壓降是500mV。5A電流等級的線纜，由于傳輸電流更大其線路阻抗要小于3A電流等級的普通線纜。而線纜長度越長，所選擇的線號越粗，以降低線路阻抗。很多線長1.5m的線纜，GND和VBUS均是采用兩根線號為AWG22的電線并接而成。

圖1. USB-C線纜的線路電壓降限制

eMarker線纜架構(gòu)的選擇

第一種eMarker線纜架構(gòu)：在一個槳片卡(Paddle Card，俗稱USB-C連接器)上配備一顆eMarker芯片，而另一個Paddle卡上不帶eMarker芯片，如圖2所示。兩個Paddle Card的VCONN供電由單獨一根電線連接。所以這種架構(gòu)的USB2.0線纜總共有六根電線：GND，VBUS，D+，D-，CC和VCONN。兩邊的VCONN供電在eMarker芯片上互相隔離，以防止兩個VCONN同時由電壓驅(qū)動，在VCONN 導(dǎo)線上發(fā)生沖突。一根線纜只需要一顆eMarker芯片的成本上更優(yōu)，是主流的選擇。

圖2. 只在一個Paddle Card上搭載一顆eMarker芯片示意圖

第二種eMarker線纜架構(gòu)：在兩個槳片卡上各自搭載一顆eMarker芯片，如圖3所示。這種架構(gòu)的USB2.0線纜總共有五根線：GND，VBUS，D+，D-，CC。所以一根線纜只需要兩顆eMarker芯片，雖然節(jié)省了一根電線，成本上還是要貴一些。

圖3. 在每個Paddle Card上各搭載一顆eMarker芯片示意圖

eMarker芯片的選擇

選擇eMarker芯片最核心的有兩點：一“小”一“大”。

“小”是指eMarker芯片尺寸小。主流的Paddle Card都往小型化方向走，這樣生產(chǎn)出來的線纜會比較美觀，成本也更低。同時為了PCB板電路布板的方便，往往要求eMarker芯片尺寸更小，2mm x 2mm的DFN封裝是非常理想的選擇。

“大”是指eMarker芯片的管間距大。在USB線纜行業(yè)，一般是先由連接器廠家生產(chǎn)好Paddle Card，然后再出售給線纜廠家做成線纜成品。連接器廠家加工好的Paddle Card，必須保證非常高的成品率，否則會降低線纜的良品率，給線纜廠家?guī)眍~外的成本。常規(guī)的不帶eMarker芯片的Paddle Card貼片好了以后，可以直接通過帶USB-C端口的測試儀器測試合格后，再提供給線纜廠家做成成品。而在帶eMarker芯片的Paddle Card上，不與USB-C公頭連接的VCONN引腳無法通過帶USB-C端口的測試儀器進(jìn)行測試。而生產(chǎn)測試治具的廠家因為每家VCONN出線焊盤位置不一樣，無法做到通用設(shè)計，往往不愿開發(fā)專門為帶eMarker芯片Paddle Card的測試儀器。0.65mm管間距的芯片，在芯片貼片的良率上幾乎可以做到100%，這樣可以省略VCONN出線焊盤測試的環(huán)節(jié)，同時也不會降低線纜的良品率。而作為對比，某品牌的WLCSP封裝，貼片失效率一直保持在2%-4%左右，這些成本直接通過線纜廠家轉(zhuǎn)嫁到消費者身上。

圖4. Paddle Card實物照片

除了以上兩點，通過USB PD3.0認(rèn)證、支持多次燒寫和燒寫鎖死也是選擇eMarker芯片的重要因素。值得一提的是，Hynetek慧能泰的eMarker芯片異軍突起，憑借著良好的設(shè)計和優(yōu)秀的品質(zhì)，受到眾多國際著名品牌的青睞，不失為國產(chǎn)芯片的一面旗幟。

Paddle Card的硬件設(shè)計

USB2.0的USB-C公頭定義見圖5所示。除了A1、A4、A5、A6、A7、A9、A12、B1、B4、B5，B9和B12，其他引腳均為空腳。

圖5. USB2.0的公頭定義

搭載eMarker芯片的USB-C線纜的參考原理圖見圖6所示。里面包含兩個Paddle Card：Plug A和Plug B。Plug A搭載eMarker芯片，Plug B不搭載eMarker芯片。Plug A和Plug B通過六根線連接。

圖6. 搭載eMarker芯片的USB2.0 線纜參考原理圖

Paddle Card的出線可以分為三類，總共六根線：

· USB2.0數(shù)據(jù)線D+/D-。

· Type-C通訊線CC和VCONN。

· 電源VBUS及地GND，傳輸5A電流。

有些線纜不傳輸U(kuò)SB2.0的數(shù)據(jù)，只要傳輸5A電流即可。這樣的線纜的出線只要VBUS、GND、CC和VCONN共4根線即可。

Paddle Card的PCB設(shè)計要點：

· 采用普通的FR4材質(zhì)的PCB材料即可，建議采用四層PCB，滿足5A電流傳輸?shù)燃?。?nèi)層的第二層和第三層分別走VBUS和GND。

· 根據(jù)公頭的規(guī)格，PCB厚度及公差滿足設(shè)計要求。

· Top層放置出線焊盤。而eMarker芯片及阻容器件均放在Bottom底層。

· D+/D-走線考慮阻抗匹配，平行、等長走線。

· 控制PCB的長度和寬度，推薦尺寸為8.4mm x 6mm。

eMarker芯片的燒寫和測試

YG-508H燒寫器是一種高性能、用戶友好的eMarker燒寫器，見圖7所示。YG-508H可支持離線燒寫和在線燒寫兩種燒寫模式。友好的圖形化用戶界面可以幫助用戶快速完成燒寫配置，配置好的設(shè)置可以保存在電腦上，供下次調(diào)用，或者下載到燒寫器里面用于離線式燒寫。

YG-508H的一個很好功能是支持離線自動燒寫。在離線模式下，只要操作員插入Paddle Card或者成品線纜，不需要額外操作，YG-508H就會自動完成燒寫，并用提示音提示操作員拔出Paddle Card或者成品線纜。由于燒寫用時很短，燒寫的效率非常高。

圖 7. YG-508H燒寫器軟件界面

帶eMarker芯片的成品線纜，可采用YG-620 Type-C數(shù)據(jù)綜合測試儀完成各項功能測試，包括常規(guī)的USB-C線纜功能測試和eMarker芯片的測試。測試儀上有兩個Type-C母座，把待測線纜兩端公頭分別插入兩個母座，啟動測試程序，就可以完成成品線纜的測試。圖8 是YG-620 Type-C數(shù)據(jù)綜合測試儀測試成品線纜的照片。圖9給出了相應(yīng)的測試結(jié)果。

圖8. YG-620 Type-C數(shù)據(jù)線綜合測試儀測試線纜的照片

后記

有關(guān)USB-C線纜，特別是高頻高速線纜的設(shè)計和加工看似簡單，實際需要非常專業(yè)的知識和技能，要做好并不容易，需要考慮好很多細(xì)節(jié)才能把產(chǎn)品做好。本文重點討論了線纜電子方面的設(shè)計要點，涉及內(nèi)容也比較粗淺，希望能拋磚引玉，讓更多的專業(yè)人士參與進(jìn)來交流，共同發(fā)展USB-C線纜產(chǎn)業(yè)。