设计人员在为产品添加USB Type-C™连接时需要了解的信息

在过去的几年里，有许多文章都对USB-C连接器的优点交口称赞。除了它的万兆每秒（Gbps）带宽和交替模式视频功能之外，还有两个非常有价值的优点：可正反插的插头和智能大功率功能。可正反插的插头的价值显而易见：我们终于可以轻松接入设备，而不必翻转插头（通常需要两次）。然而，智能电源的存在让USB-C连接器变得非常实用。

USB始终可以持续供电（只需要5V电压和小于1.5A的电流即可满足需求）。由于之前的Type-A和Type-B的外形尺寸限制，使其只能为小型电子设备（如U盘或键盘）供电，或者为手机等涓流充电设备供电。随后推出了USB-C这种新供电（PD）标准，它允许发送方和接收方在5至20V的电压下协商最高100W的功率输出。这意味着，只需一个小小的USB-C插头便可为更多产品供电，包括外部存储设备、电话、个人电脑、电动工具、医疗设备和无数其他产品。利用100W的输出功率，您安装在电动汽车里的几乎任何设备都可以用USB-C端口充电（遗憾的是，汽车本身不行）。

如今，个人电脑和手机行业已在许多批量生产的终端系统中迅速采用USB-C。最值得注意的是，iPhone支持通过Lightning连接器供电，而安卓手机则在大多数新机型中采用了USB-C连接器供电。最初的USB-C和供电的设计十分复杂，涉及许多外部组件和软件配置工具。如今，半导体行业中新产品的发展从USB-C的设计中可见一斑。那么，现在将USB-C添加到您的产品中需要做什么呢？

USB-C PD设计需要什么？

在产品设计中，第一步都是定义所需的功能集。在具有供电的USB-C系统中尤其如此，因为支持PD功能会直接影响系统成本。PD本身增加了系统的成本，因此最终产品必须从供电功能中获益，以确保成本的合理性。 

USB-C用途广泛，并且支持除USB之外的其他数据类型，因此需要了解整个系统才能选择合适的USB-C组件。如果产品是存储设备或电池充电器，则无需为系统增加实现交替模式视频所需的成本和固件。相反，如果系统是连接到支持DisplayPort的笔记本电脑的显示器，则必须在设计中包含特定的端口控制器和组件。因为USB-C端口元件包括PD/USB协议、数据和电源，因此系统解决方案将包括USB-C供电端口控制器和模拟及电源组件。

一个最简单的USB-C应用是纯充电端口。在这种情况下，系统的设计目的是为与其连接的设备供电和/或充电。这类系统的一个例子是汽车上的后排充电口、电动工具电池或房屋里的壁式充电器。

设计人员在为产品添加USB Type-C™连接时需要了解的信息
DC in 直流输入
DC 5V converter 直流5V转换器
Buck-boost Controller 5/9/15/20V Up to 5A 降压-升压控制器5/9/15/20V，最高5A
USBTM Type-C Port Controller USBTM Type-C端口控制器
Load switch 负载开关
CC Pins CC引脚
VBUS VBUS
USB Type-C Connector USB Type-C连接器

图1：作为纯充电电源的USB-C端口框图

在本例中，实现系统所需的主要“物料清单”（BOM）组件列表相对较短:

  • USB-C端口控制器——协商连接和电源协议。
  • 直流/直流转换器——将输入电压转换成PD协议需要的Vbus电压。
  • 负载开关——在插入时向Vbus提供5V电压，在建立PD协议后，连接适当的Vbus电压。有时会与直流/直流转换器结合使用。
  • LDO——调节端口控制器的电压，因为直流/直流可能需要提供5至20V的电压。
  • USB-C接口

本例中端口控制器的选择要求控制器能够处理其与连接设备之间的所有协议。现代独立控制器（如Microchip提供的控制器）至少包括以下功能：

  • 支持连接检测和控制的USB-C连接器
  • 符合USB供电规范3.0的MAC
  • 预编程供电固件
  • 支持所有标准供电配置文件（15/27/45/60/100W）
  • 集成降低BOM成本和设计复杂性的精选模拟组件。连接所需的示例包括：
    • 支持Rp/Rd切换的VCONN FET
    • 电量耗尽Rd端接
    • 针对过流情况的可编程电流检测功能
    • 针对过压情况的电压检测功能
  • 适用于应用的温度支持

因为这是一个纯充电的示例，因此不需要其他系统控制器。虽然有些供应商提供可编程器件，但纯充电解决方案的逻辑选择是预编程产品，没有软件要求，系统配置通过简单的器件配置脚（接地或Vcc连接）完成。只要控制器符合PD 3.0标准，用户就可以访问所有标准电源配置文件：15W/27W/45W/60W/100W。

对于直流/直流转换器，转换器类型的选择主要取决于输入电压。电源必须始终能够提供5至20V的输出电压，才能完全符合PD标准。对于具有24 VDC输入或电压大于20 VDC的系统，基本降压拓扑结构可以提供经济高效的解决方案。对于低压直流或离线交流供电系统，则需要采用其他拓扑结构。

图2给出了一个针对图1的修改示例。在这种情况下，设计人员选择了为数据传输提供USB2主机支持，因为其现有产品采用了一个原生支持USB2的单片机。请注意，端口控制器不需要任何与USB2数据路径的连接。无需额外组件，USB-C端口BOM与纯充电解决方案相同。如果MCU/系统控制器支持USB3，也可以通过简单添加USB3多路复用器来添加USB3（支持USB-C插头的正反插）。在本例中，使用独立的USB-C预编程端口控制器也是将单个USB-C端口添加到现有产品中的最简单解决方案。

设计人员在为产品添加USB Type-C™连接时需要了解的信息
DC in 直流输入
DC 5V converter 直流5V转换器
Buck-boost Controler 5/9/15/20V Up to 5A 降压升压控制器5/9/15/20V，最高5A
MCU MCU
USB 2.0 USB 2.0
USBTM Type-C Port Controller USBTM Type-C端口控制器
Load swith 负载开关
CC Pins CC引脚
VBUS VBUS
USB Type-C Connector USB Type-C连接器

图2：作为电源的USB-C连接框图（包含USB2数据）

USB性能架构的顶端是基于集线器的系统，如图3所示。基于集线器的设计提供了所有USB架构中最高的灵活性和性能，同时减轻了中央处理器的通信负担。这种类型的系统通常用于个人电脑坞站和显示器、汽车中心控制台以及任何需要多个USB连接的场合。和前面的示例一样，这种设计的第一步是确定功能集。在个人电脑使用案例中，视频信号很可能通过USB-C端口传输，这需要支持交替模式功能。因此，与上述纯充电或充电加USB数据示例相比，此示例的端口控制器必须能够支持交替模式功能，并且系统必须包含所需的电路，以管理通过交替模式通道传输的协议的方向和解析。

设计人员在为产品添加USB Type-C™连接时需要了解的信息