如何采用USB-C新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)計(jì)USB-C連接器的設(shè)計(jì)

USB Type-C™規(guī)范引入了通過(guò)USB提供可擴(kuò)展電源傳輸?shù)男逻x項(xiàng)，但規(guī)范錯(cuò)綜復(fù)雜，開(kāi)發(fā)人員面臨安全和布局問(wèn)題。

本文將介紹USB Type-C(也稱為USB-C插座解決方案)，并指導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員如何將這些USB-C插座連接器集成和布局為新設(shè)計(jì)，以便為外部設(shè)備安全地提供可擴(kuò)展的USB電源。

USB-C簡(jiǎn)介

最初的USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)指定最大電流為500毫安(mA)@ 5伏(2.5瓦)，USB2.0允許相同的最大值。這改變了USB3.1規(guī)范，允許最大900mA的電流。所有這些都是使用熟悉的矩形USB連接器。然而，隨著USB變得無(wú)處不在，其在連接器兼容性和功率傳輸能力方面的應(yīng)用和需求也在不斷增加。

這些需求促成了USB Type-C™標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。 USB-C不是數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，而是微型USB連接器的新標(biāo)準(zhǔn)?？v觀其歷史，USB一直受到連接器兼容性問(wèn)題的困擾。插入標(biāo)準(zhǔn)矩形USB Type-A連接器一直受到Murphy定律的困擾：無(wú)論用戶如何插入極化連接器，它都是顛倒的(圖1)。即使以正確的方向插入，連接器也可能無(wú)法正確就位，導(dǎo)致連接器倒置并再次插入，并再次插入。

圖1：自USB1.1以來(lái)，許多類型的USB連接器一直困擾著開(kāi)發(fā)人員和用戶。消費(fèi)者計(jì)算機(jī)上最常見(jiàn)的連接器是USBType-A連接器，用于USB1.1,2.0,3.0和3.1。 (圖片：維基百科)

鑒于極化的Type-A連接器尺寸較大，較小的極化梯形微型和迷你連接器類型的開(kāi)發(fā)便于在小型消費(fèi)設(shè)備上集成。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員和用戶來(lái)說(shuō)，即使這些問(wèn)題與A型也存在相同的問(wèn)題。

新的USB-C連接器(圖1右下方)僅略大于上面的USBmicro-B連接器。 Android智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。它取代了計(jì)算機(jī)(主機(jī))和設(shè)備連接器，從而可以用單一類型替換多種電纜類型。此外，USB-C連接器沒(méi)有鍵控且沒(méi)有首選方向，無(wú)論連接器如何插入，都可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的連接。

USB-C連接器引腳排列和功率水平

USB-C連接器支持USB2.0和USB3.1。當(dāng)用于USB3.1時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)要求它還支持向后兼容USB2.0，這是新設(shè)計(jì)的推薦用途。但是，對(duì)于低數(shù)據(jù)速率設(shè)計(jì)，連接器也可以僅用于USB2.0。

圖2：USB-C 24針插座連接器是非極化和可逆的，無(wú)論插入方式如何，都可以輕松連接插頭。 (圖片：STMicroelectronics)

查看USB-C連接器插座引腳排列，四個(gè)接地引腳(GND)布置在連接器外部(圖2)。這有助于提高抗噪性，并且還可以輕松連接到金屬接地連接器外殼。標(biāo)準(zhǔn)USB2.0雙向數(shù)據(jù)引腳D +和D-在中心復(fù)制，對(duì)于所有USB-C數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用是必需的。 USB3.1具有獨(dú)立的高速發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑，接收引腳RX1 +和RX1-與RX2 +和RX2-一起加倍。 USB3.1發(fā)送數(shù)據(jù)路徑與TX1 +和TX1-相同，并且復(fù)制TX2 +和TX2 - 。

USB-C連接器標(biāo)準(zhǔn)還支持視頻傳輸，包括DisplayPort和HDMI。該標(biāo)準(zhǔn)稱之為備用模式，本文不會(huì)涉及。

在這種情況下，重要的是USB-C連接器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大電流可在5伏特下達(dá)到3.0安培，最高可達(dá)5伏特。 15瓦的力量。更進(jìn)一步的是USB Power Delivery Standard v2.0，它規(guī)定支持USB3.1的USB-C連接器可以提供高達(dá)100瓦的功率(20伏特，5安培)。該電源來(lái)自四個(gè)VBUS引腳。這使USB接口成為輔助電源，成為主電源。

實(shí)施USB-C連接器設(shè)計(jì)可能會(huì)非常棘手

支持高達(dá)100瓦的功率項(xiàng)目需要仔細(xì)的板布局程序，以確保用戶和開(kāi)發(fā)人員的安全。大多數(shù)項(xiàng)目都不需要獲得那么大的權(quán)力;例如，非常高電流的智能手機(jī)充電器可能額定為3.0安培。然而，大多數(shù)商用USB-C連接器的常見(jiàn)最佳位置是VBUS和GND引腳之間的5.0安培。這是由Amphenol FCI的USB3.1 10137062-00021LF Gen 1直角USB-C連接器支持的(圖3)。

圖3 ：Amphenol FCI 10137062-00021LF USB-C連接器是一種直角頂部安裝的短體連接器，可以通孔安裝或表面安裝。 (圖像：Amphenol FCI)

這個(gè)USB-C插座連接器最多支持5安培，因此要獲得100瓦的功率，需要20伏直流電。然而，對(duì)于大多數(shù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，25瓦(5伏特，5伏特)是足夠和安全的。該USB-C連接器支持每秒5千兆位(Gbits/s)的USB3.1 Gen 1數(shù)據(jù)速率，最大額定電壓為100伏特DC或AC，根據(jù)規(guī)格100瓦特，可提供最大1安培的電流。最大功率。

此連接器支持表面貼裝或通孔組裝，位于印刷電路板的頂部。不銹鋼連接器外殼比鋁更堅(jiān)固，并且電氣連接到GND引腳。

外殼必須使用四個(gè)狹窄的接頭接地，這些接頭滑入印刷電路板的插槽中，每側(cè)兩個(gè)連接器。務(wù)必使用大量焊料將這些標(biāo)簽焊接到PC電源接地層，以確保連接牢固。

USB-C連接器信號(hào)路由

USB3.1高速差分信號(hào)必須小心布線，使它們彼此相鄰且長(zhǎng)度完全相同。保持差分信號(hào)的走線盡可能短，以最大限度地降低EMI。為獲得最佳抗噪性，請(qǐng)將差分信號(hào)放在印刷電路板的內(nèi)層。如果在外部印刷電路板層上布線，則通過(guò)用接地走線包圍差分對(duì)走線來(lái)隔離來(lái)自其他數(shù)據(jù)線的信號(hào)。此外，始終在實(shí)心接地層上布設(shè)差分信號(hào)，以最大限度地降低EMI。

設(shè)計(jì)印刷電路板，使差分走線阻抗為90歐姆±10%，以匹配USB電纜差分阻抗。另外，對(duì)每條跡線進(jìn)行布線，使每對(duì)的單端阻抗相同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在這種情況下，差分對(duì)的阻抗是其中一對(duì)阻抗的兩倍。因此，應(yīng)布線，使每個(gè)單端阻抗接近或接近45歐姆±10%。

如何安全地路由USB-C電源信號(hào)

路由功率信號(hào)更為關(guān)鍵。必須小心安全地采購(gòu)5安培，以防止意外短路到工程外殼或用戶。 5安培可以布線在印刷電路板的頂層或底層，但不應(yīng)太靠近印刷電路板的邊緣。這將有助于防止由于外殼的沖擊或損壞而導(dǎo)致與項(xiàng)目外殼的意外連接。

要在銅板上安裝5個(gè)放大器，厚度為每平方英尺2盎司，需要跟蹤寬度為44.6密耳。更安全的方法是通過(guò)在內(nèi)部印刷電路板層上布置5安培來(lái)隔離電流免受任何外部影響，這需要具有相同銅密度的116密耳的跡線寬度(基于IPC-2221輪廓的計(jì)算)。在VBUS連接器引腳附近布置盡可能多的銅，以防止電流損失。

垂直安裝的USB-C連接器

如果印刷電路板空間非常寶貴，USB-C插座連接器可以垂直安裝。為此，Amphenol FCI具有USB 3.1 10132328-10011LF垂直安裝USB-C連接器。

圖4：此垂直安裝USB-C連接器來(lái)自Amphenol FCI具有較小的印刷電路板尺寸，可用于節(jié)省電路板空間。 (圖像：Amphenol FCI)

這款垂直USB-C連接器支持10Gbits/s的USB3.1 Gen 2數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。它還支持100瓦的功率輸出，其最大額定電壓為100伏直流或交流電，并且能夠提供高達(dá)5安培的電流。它具有與直角連接器相同的不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)。與直角連接器一樣，確保外殼上的四個(gè)卡舌通過(guò)印刷電路板上的孔與大量焊料安全接地。

與直角插座不同，它只是表面安裝在連接器的小端，使VBUS電源觸點(diǎn)更靠近信號(hào)觸點(diǎn)。必須仔細(xì)布置電源觸點(diǎn)遠(yuǎn)離信號(hào)觸點(diǎn)。考慮到狹窄的空間，最安全的方法是將數(shù)據(jù)對(duì)和VBUS電源觸點(diǎn)放置在不同的印刷電路板層上。

當(dāng)為上述插座連接器供電時(shí)，USB之間有一個(gè)簡(jiǎn)短的握手協(xié)議主機(jī)和設(shè)備決定要提供多少電量。有些IC可以處理USB接收器到源的連接，使得這個(gè)過(guò)程對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)是透明的。

STMicroelectronics的STUSB1700 USB-C源控制器就是一個(gè)很好的例子。這可以安全地管理5伏USB-C主機(jī)到設(shè)備連接。在供電時(shí)，STUSB1700可以檢測(cè)并防止電源短路，電流消耗超過(guò)設(shè)定的極限，過(guò)熱高于145°C，欠壓和過(guò)壓條件，以及反向電流和反向電壓條件。這極大地簡(jiǎn)化了USB-C系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了開(kāi)發(fā)人員的復(fù)雜性。

圖5：此電路中的STUSB1700采購(gòu)3安培電源，可獨(dú)立運(yùn)行。如果由帶有I 2 C接口的可選微控制器管理，則必須添加上拉電阻R3至R10。 (圖片：STMicroelectronics)

STUSB1700用于USB-C主機(jī)連接器，可以檢測(cè)主機(jī)和設(shè)備之間的新連接。它可以確定設(shè)備的電源需求并提供必要的電流。它還確定設(shè)備是否是數(shù)字音頻附件，因此它可以向微控制器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)USB-C端口提供數(shù)字音頻。它可以與USB設(shè)備協(xié)商確定電源是否需要USB默認(rèn)值(最高900mA)，USB介質(zhì)(最高1.5安培)或USB高電流(最高3.0安培)。

結(jié)論

新的USB-C標(biāo)準(zhǔn)可以輕松安全地為合適設(shè)計(jì)的設(shè)備提供高達(dá)100瓦的功率。隨著所有智能手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，計(jì)算機(jī)和電子配件標(biāo)準(zhǔn)化在一個(gè)易于使用的連接器上，開(kāi)發(fā)人員不必?fù)?dān)心使用哪種尺寸和類型的連接器，這也是未來(lái)的設(shè)計(jì)。