USB Type-C技术与应用

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*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

有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。

 

参考链接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/33710701

https://mp.weixin.qq.com/s/FlzVRktMJczHzAyJe87nUQ