超詳細USB Type-C引腳信號及PCB佈局佈線介紹

當前智慧終端機市場形成了以 USB-C 介面為主,多種介面及充電技術並存的格局。使用者更換設備後,原有充電器、資料線大多閒置,造成巨大浪費。大力推進充電介面、技術融合,有利於降低電子垃圾,提高資源利用效率。”未來USB Type-C一統江湖勢不可擋。

Type-C科普

USB Type-C是USB連接器系統的規範,在智慧手機和移動設備上越來越受歡迎,並且能夠進行電力傳輸和資料傳輸。USB-C是一種相對較新的標準,目前的版本為USB4,USB4規範使用雙鏈路通道,傳輸頻寬最高達到40Gbps及高達240W的功率。這些功能可以使USB-C成為現代設備的真正通用連接標準。

USB Type-C主要功能介紹之信號圖示

USB Type-C連接器有24個引腳。圖1和圖2分別顯示了USB Type-C插座和插頭的插針。

USB Type-C的PCB設計佈線要求

USB Type-C的供電和備用模式

使用USB Type-C標準的設備可以通過介面協商並選擇合適的功率。這些功率協商是通過稱為USB Power Delivery的協定實現的,該協定是上面CC線上的單線通信。下面的圖顯示了一個示例USB供電,其中接收器向源發送請求並根據需要調整VBUS電壓。首先,要求提供9 V匯流排。在源穩定匯流排電壓為9 V後,它會向接收器發送“電源就緒”消息。然後,接收器請求一個5V匯流排,並且源提供它並再次發送“電源就緒”消息,值得注意的是,“USB供電”不僅僅涉及與供電相關的談判,其他談判,例如與備用模式相關的協商,都是使用標準CC線上的供電協議完成的。

USB Type-C的CC1和CC2針腳

這些引腳是通道配置引腳。它們執行許多功能,例如電纜連線和移除檢測、插座/插頭方向檢測和當前廣播。這些引腳也可用於Power Delivery和Alternate Mode所需的通信。下面的圖顯示了CC1和CC2引腳如何顯示插座/插頭方向。在此圖中,DFP代表下游面向埠,該埠充當資料傳輸中的主機或電源。UFP表示上游面向埠,它是連接到主機或電力消費者的設備。DFP通過Rp電阻上拉CC1和CC2引腳,但UFP通過Rd將它們拉低。如果沒有連接電纜,則源在CC1和CC2引腳處看到邏輯高電平。連接USB Type-C電纜可創建從5V電源到地的電流路徑。由於USB Type-C電纜內只有一根CC線,因此只形成一條電流路徑。例如,在圖中,DFP的CC1引腳連接到UFP的CC1引腳。因此,DFP CC1引腳的電壓低於5 V,但DFP CC2引腳仍處於邏輯高電平。因此,監控DFP CC1和CC2引腳上的電壓,我們可以確定電纜連線及其方向。

除電纜方向外,Rp-Rd路徑還用作傳遞源電流能力資訊的方式。為此,功耗(UFP)監視CC線上的電壓。當CC線上的電壓具有其最低值(約0.41 V)時,源可以分別為USB 2.0和USB 3.0提供500 mA和900 mA的默認USB電源。當CC線電壓約為0.92 V時,源可提供1.5 A的電流。最高CC線電壓約為1.68 V,對應於3A的源電流能力

USB Type-C的VCONN引腳

USB Type-C旨在提供超快的資料傳輸速度以及高水準的功率。這些特徵可能需要使用通過在內部使用晶片進行電子標記的特殊電纜。此外,一些有源電纜利用重新驅動晶片來加強信號並補償電纜等引起的損耗。在這些情況下,我們可以通過施加5 V、1 W電源為電纜內部的電路供電提供給VCONN引腳。有源線纜使用Ra電阻來下拉CC2引腳。Ra的值與Rd不同,因此DFP仍然可以通過檢查DFP CC1和CC2引腳上的電壓來確定電纜方向。確定電纜方向後,與“有源電纜IC”對應的通道配置引腳將連接到5 V,1 W電源,為電纜內部的電路供電。例如,在下圖中,有效的Rp-Rd路徑對應於CC1引腳。因此,CC2引腳連接到VCONN表示的電源。

 

USB Type-C的SBU1和SBU2針腳&RX和TX引腳

SBU1和SBU2針腳

這兩個引腳對應於僅在備用模式下使用的低速信號路徑。

RX和TX引腳

有兩組RX差分對和兩組TX差分對。

這兩個RX對中的一個以及TX對可用於USB 3.0 / USB 3.1協議。由於連接器是可翻轉的,因此需要多工器通過電纜正確地重新路由所採用的差分對上的資料。

請注意,USB Type-C埠可以支援USB 3.0 / 3.1標準,但USB Type-C的最小功能集不包括USB 3.0 / 3.1。在這種情況下,USB 3.0 / 3.1連接不使用RX / TX對,並且可以被其他USB Type-C功能使用,例如備用模式和USB供電協定。這些功能甚至可以利用所有可用的RX / TX差分對。

USB Type-C的電源和接地引腳

VBUS和GND引腳是電源和信號的返回路徑。預設的VBUS電壓為5V,但標準允許器件協商並選擇VBUS電壓而不是預設值。最新的PD3.1的協議,電源傳輸允許VBUS具有高達48V的電壓,目前USB4最大電流也可以升高到5A。因此,USB Type-C可以提供240W的最大功率。當為諸如筆記型電腦的大型設備充電時,大功率是有用的。

USB Type-C的USB 2.0差分對

D +和D-引腳是用於USB 2.0連接的差分對。插座中有兩個D +引腳和兩個D-引腳。但是,這些引腳相互連接,實際上只有一個USB 2.0資料差分對可供使用。冗餘設計只是為了提供可翻轉的連接器。

Type-C相關產業鏈備受關注

Type C介面具有小巧纖薄、高速傳輸、正反可用、一口多用、供電提升等許多優勢,它的普及將是指日可待的。然而,這種Type C連接器產品必須在有限的空間內發揮做出更加精細化功能繁多的產品,而且必須承受較高的電流並進行高速資料傳輸,因此它的技術難度要求非常高,挑戰與機遇並存。

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