發布日期：2022-04-17 點擊率：50
最新的 USB 連接器/電纜、功率傳輸 (PD) 和協議規范（分別為 USB Type-C、USB PD 3.0 和 USB 3.2）進一步提高了連接器的易用性、USB 的數據吞吐量和功率傳輸能力。然而，那些渴望使用新規范的設計人員卻發現自身面臨著諸多實施挑戰。尤其是新規范支持高電壓和大電流，可能會導致不兼容外設損壞，造成電纜、連接器和端口過熱。
尚不熟悉 USB Type-C 和 USB PD 的開發人員，必須設法在具有適當軟件接口的受控環境中試驗這些新技術。USB 芯片供應商已經對此作出回應，推出了配備軟件和電路板的評估套件 (EK)，其中包括電源、用于連接 PC 的 USB 接口以及最新一代的 USB 芯片。借助這些 EK，開發人員可以利用帶用戶友好界面的成熟設計來獲取 USB Type-C 和 USB PD 的配置經驗。此外，這些 EK 也可用作開發人員原型開發的參考設計。
本文將概述最新 USB Type-C 規范的關鍵屬性，并闡示一些實施難題。另外，還將介紹 ON Semiconductor、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 推出的套件，并展示如何使用這些套件來安全探索 USB 新技術的功能。作為評估套件和評估板基礎的集成組件可用于新產品設計，從而提高性能，節省空間并減少元器件數量。
將產品升級為最新 USB 規范的主要原因包括：
便利性更高：USB Type-C 基于緊湊型可逆插頭連接器，更適合現代消費類電子產品的外形尺寸，讓消費者使用更便利。
吞吐量更大：USB 3.2（于 2017 年推出，現已統合所有先前的 USB 3.x 規范）數據速率高達 20 Gb/s。
功率更大：USB PD 3.0 提供功率高達 100 W (5 A x 20 V)，可為平板電腦和便攜式計算機快速充電。
USB Type-C 連接器對于 USB 3.2 第 2x2 代規范必不可少，今后該標準的新版本將只兼容這類連接器（而不兼容 Type-A 和 Type-B 連接器）。該規范定義了 24 針連接器，即四個 +5 V 接地引腳、兩對用于 USB 2.0 數據總線差分信號、四對用于 SuperSpeed 數據總線、兩個“輔助”引腳、用于有源電纜的 VCONN +5 V 電源，以及用于電纜方向檢測和連接管理的通道配置 (CC) 引腳。請注意，在特定應用中引腳使用有所不同，具體取決于所采用的通信協議和功率傳輸要求（圖 1）。
圖 1：USB Type-C 24 針連接器可反轉使用，CC 引腳用于電纜方向檢測和連接管理。（圖片來源：Texas Instruments）
“全功能”USB Type-C 連接器和電纜支持最快的 USB 數據速率。例如，使用 USB Type-C 時，設計人員可以選擇 USB 3.2 第 1 代 (SuperSpeed 5 Gb/s)、USB 3.2 第 2 代 (SuperSpeed 10 Gb/s) 或 USB 3.2 第 2x2 代 (SuperSpeed 20 Gb/s) 協議。請注意，若使用“非全功能”USB Type-C 連接器和電纜組合，則不適用于最新規范支持的功能。下文只探討使用全功能 USB Type-C 硬件的設計。
借助 USB Type-C，設計人員還能充分利用 USB PD 2.0/3.0 供電協議允許的 USB PD 最高電壓和最大電流。自 USB PD 2.0 起，規范定義了 5 V、9 V、15 V 和 20 V 四個電壓電平。此外，電源最大輸出功率還支持 0.5 W 至 100 W 之間的任意值，而非 USB PD 1.0 標準的六個固定功率水平。功率超過 15 W 的電源電壓為 5 V 和 9 V，超過 27 W 為 5 V、9 V 和 15 V，超過 45 W 為 5 V、9 V、15 V 和 20 V。各種電壓和電流組合稱作“功率分布”。
盡管功率水平靈活配置具有諸多優勢，但該技術支持的高電壓和大電流卻增大了實施復雜性，并帶來若干奇特的設計挑戰。例如，USB PD 需要新增端口控制器，以協調和實施 USB PD 功率發布。短時間內，慣用 USB Type-A 的設計人員可能無法適應這些差異，因而導致設計決策不合適或具潛在破壞性的風險增大。
例如，帶 USB PD 的 USB Type-C 系統可通過 USB A 轉 C 電纜連接至 USB Type-A 端口；USB Type-A 端口的 VBUS 保持在 5 V 左右，而帶 USB PD 的 USB Type-C 端口可在 5 A 下提供高達 20 V 電壓。因此，電流將從 VBUS 電壓較高的端口流向另一端口，但是許多 USB Type-A 端口功率開關不具備反向電流保護，因而可能會因高電壓而損壞。（有關 USB Type-C 和 USB PD 設計的更多信息，請參見 Digi-Key 文章“USB Type-C 設計和使用功率傳輸進行快速充電”。）
USB Type-C 和 USB PD 可通過可配置的電纜、接口和功率設置實現多功能性。USB Type-C 連接器使用 CC 引腳進行電氣檢測和連接配置。USB Type-C 端口可以作為僅主機、僅設備（以傳統 USB 主機和設備運行）或雙角色端口 (DRP)；主機是下行端口 (DFP)，設備是上行端口 (UFP)。
USB Type-C 的其他優勢包括：
雙角色端口可重新配置。例如，便攜式計算機通過顯示器充電時可作為 UFP，而為微型風扇供電時可作為 DFP。
可根據需要配置 VCONN，以確定 VBUS 使用 USB Type-C 標準電源或 USB PD。
支持可選的備用和配件模式。
使用端口控制器與 PD 控制器配合協調電源要求和方向，例如不會用智能手機等電池容量不大的設備為便攜式計算機等大功率設備供電。端口控制器通常包括嵌入式微控制器，因而無需外部設備來監控電力交易。
為了有效管理復雜性并確保設計成功，USB 芯片供應商推出評估套件，為設計人員提供經優化的受保護電路進行試驗，評估配置以選擇最適合應用的 USB Type-C 和 USB PD。例如，ON Semiconductor 的 STR-USBC-4PORT-200W-EVK 是一款 200 W、四端口 USB Type-C EK。該套件具有多個輸出電壓，分別為 5 V、9 V、15 V 和 20 V，最大電流為 5 A，每個端口的最大輸出功率為 100 W，開發人員可藉此探索 USB PD 3.0 的功能。由于受電源限制，該 EK 四個端口的最大總輸出功率為 200 W。
STR-USBC-4PORT-200w-EVK 包括 USB PD 端口控制器、高壓保護開關和降壓電源控制器。此外，該套件還配備了 AC/DC 電源，輸入電壓為 90 V - 265 V，內置過流和熱保護。該 EK 隨附 ON Semiconductor 的 Strata 軟件，其中包括配置工具，可用于功率分布測試、各種故障和折返功能試驗、系統遙測監控，并為連接的設備提供可變充電負載（圖 2）。
圖 2：ON Semiconductor 的 USB Type-C EK 包括 200 W AC/DC 前端和四端口 USB PD 輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）
該 EK 的端口控制器采用 ON Semiconductor 的 FUSB307B，旨在實現帶 USB PD 功能的 USB Type-C 端口控制器 (TCPC)。作為 TCPC，該芯片符合 USB PD 接口規范，具有用于 USB Type-C 端口管理器 (TCPM) 的標準化接口，并集成用于手動連接/斷開檢測的 USB Type-C 檢測電路。該芯片可自動處理時間關鍵型 PD 功能，而無需使用系統微控制器或 TCPM。
就這方面而言，STMicroelectronics 推出了 val-ISC004V1/497-17655-ND/7785232">STeval-ISC004V1 USB PD EK。該 EK 是一款即用型 USB PD 源，基于該公司的 STUSB4710A USB PD 控制器，演示了如何將固定電壓的直流電源輸入轉換為 USB PD 可變電壓輸出。USB PD 控制器通過 USB Type-C 的 CC 引腳進行通信，以協調傳輸至連接設備的給定功率，無需微控制器支持即可處理與 DFP 或 UFP 的連接。
此外，Texas Instruments (TI) 還推出了 USB-CTM-MINIDK-EVM，一款 USB Type-C 塢站接口 EK（圖 3）。該 EK 是一款 USB Type-C 塢站參考解決方案，包括 USB PD、音頻、USB 數據、電源和視頻；通過 USB Type-C PD 主端口支持拉出和灌入電流功能。由外部 USB Type-C 充電器供電時，塢站可在 3 A 下提供 5 V 電壓，在 5 A 下提供 12 V 至 20 V 電壓。
該 EK 包括：
TUSB8041：四端口 USB 3.0 集線器控制器，通過 DFP 和 UFP 均可提供 SuperSpeed USB 連接。
TUSB321：TCPC 用于檢測端口連接/斷開、電纜方向和角色。該芯片可配置為 DFP、UFP 或 DRP。
TPS65982：USB Type-C 控制器用于 USB PD 協調和啟用電源路徑。
圖 3：TI 的 USB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-C 接口 EK 是一款 USB Type-C 塢站參考解決方案，包括 USB 數據、USB PD、音頻和視頻。（圖片來源：Texas Instruments）
ON Semiconductor、TI 和 STMicroelectronics 的 EK 可協助工程師完成帶 USB PD 的 USB Type-C 設計設置和配置。
使用 ON Semiconductor 的 EK 開發需借助該公司的 Strata Developer Studio。首先，開發人員需向 EK 施加交流電壓，使用 USB Mini-B 電纜將其連接至 PC，登錄并允許 PC 檢測 EK，下載相關內容。
開發人員可對系統進行基本設置，包括最大系統功率（從 30 W 至 200 W），該設置可確保四個端口的總 PD“合同”不超過交流電源的總功率，以及“保證功率”設置，即端口 1 始終按分配輸出功率，而其他端口共享剩余功率。此外，還提供故障保護設置，可用于確定指示故障狀態的溫度閾值。
然后，開發人員就可以著手測試各種端口設置，包括：
端口最大功率：設置后所有合同均不得超出該限值
限流：0 至 6 A
電纜補償：拉電流較高時，減少灌入設備的電壓降
功率分布廣播：插入設備后，將顯示提供給灌入設備的功率分布列表
再者，開發人員可以訪問瀏覽器，其中詳細列出 USB 端口的總輸入電壓和功率，以及各個端口的功率分布 (V)、PD 合同 (W)、輸出電壓和功率、溫度和能效等相關性能信息。該 EK 可連接示波器以顯示 V BUS 轉換等詳細性能信息（圖 4）。
圖 4：ON Semiconductor 的 USB Type-C EK 可連接示波器以詳細分析該芯片的工作特性。（圖片來源：ON Semiconductor）
STMicroelectronics EK 的工作方式與 ON Semiconductor EK 類似。連接 22 V（最小值）直流電源和帶 USB Type-C 連接器的外設后，通過 I2C 接口，即可從非易失性存儲器將該 EK 的板載 USB PD 控制器設置讀取至 PC。然后，開發人員通過 PC 接口重新配置最多五個 PD 電壓和電流輸出、峰值電流、欠壓和過壓鎖定。在 PC 上完成設置后，可將配置編程導入 USB PD 控制器的存儲器，用于為連接的外設供電。
TI 的 EK 則需要與該公司的 USB Type-C 使能板配合使用。使用 USB Type-A 轉 USB Type-B 電纜和 DisplayPort 電纜，將使能板連接至 PC，再使用 USB Type-C 電纜將 EK 連接至 USB Type-C 使能板。然后，開發人員就可直接在 PC 上測試 USB 3.0 集線器、TCPC 和 USB Type-C 控制器的配置。
USB Type-C 和 USB PD 為消費者帶來便利，提高了吞吐量和功率傳輸能力，可為連接的外設供電，也可為其電池充電。不過，該技術也相應增大了復雜性，給慣用 USB Type-A 系統的開發人員帶來相當艱巨的實施挑戰。
如上所述，尚不熟悉 USB Type-C 和 USB PD 的開發人員，現可利用主要 USB 芯片供應商推出的評估套件，通過用戶友好界面以受控方式進行技術試驗。此外，這些 EK 也可用作開發人員原型開發的參考設計。
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