發布日期：2022-04-17 點擊率：82
USB Type-C? 規范引入了通過 USB 提供可擴展電力傳輸的新選擇，但該規范錯綜復雜，開發人員面臨著安全和布局問題。
本文將介紹 USB Type-C（也稱為 USB-C）插座解決方案，并指導開發人員如何在新設計中集成和布設這些 USB-C 插座連接器，以便為外部設備安全地提供可擴展 USB 電源。
最初的 USB 1.1 標準規定最大電流為 500 毫安 (mA) @ 5 V（2.5 W），USB 2.0 允許的最大電流相同。而 USB 3.1 規范有所改變，其允許最大 900 mA 的電流。所有這些標準都使用常見的矩形 USB 連接器。但是，隨著 USB 變得無處不在，其應用及相關需求在連接器兼容性和電力傳輸能力方面也隨之增加。
這些需求促成了 USB Type-C? 標準的發展。USB-C 不是數據傳輸規范，而是一種新的微型 USB 連接器標準。縱觀其歷史，USB 一直受到連接器兼容性問題的困擾。只要插入標準矩形 USB Type-A 連接器，必定會受到墨菲定律的困擾：無論用戶如何插入該極化連接器，總是插反（圖 1）。即使以正確的方向插入，該連接器也可能無法正確就位，導致需要不斷地顛倒連接器并重新插入。
圖 1：自 USB 1.1 誕生以來，類型眾多的 USB 連接器一直困擾著開發人員和用戶。消費類計算機上最常見的連接器是 USB Type-A 連接器，用于 USB 1.1、2.0、3.0 和 3.1。（圖片來源：維基百科）
鑒于極化 Type-A 連接器的大尺寸，為了更容易地集成在小型消費類設備上，開發人員開發了尺寸較小的極化連接器類型：梯形的微型和迷你型連接器。即使是這些連接器，對于開發人員和用戶來說也有與 Type-A 相同的方向問題。
新型 USB-C 連接器（圖 1 右下方）僅略大于 Android 智能手機和物聯網 (IoT) 設備上的 USB micro-B 連接器。它同時取代了計算機（主機）和設備連接器，從而只需一條線就可以連接各種設備。此外，USB-C 連接器沒有鎖扣且沒有首選方向，無論如何插入，都可實現穩固連接。
USB-C 連接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。當用于 USB 3.1 時，標準要求其同時支持向后兼容 USB 2.0，并且在新設計中推薦使用這種方式。但是，對于低數據速率設計，該連接器也可僅用于 USB 2.0。
圖 2：該 USB-C 24 針插座連接器是非極化型且支持正反插，無論插入方式如何，都可以輕松連接插頭。（圖片來源：STMicroelectronics）
觀察 USB-C 連接器插座的引腳排列，四個接地引腳 (GND) 布置在連接器的外側（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。中間是兩對標準 USB 2.0 雙向數據引腳 D+ 和 D-，它們對于所有 USB-C 數據傳輸應用都是必需的。USB 3.1 具有獨立的高速數據發送和接收路徑，接收引腳 RX1+ 和 RX1 與 RX2+ 和 RX2- 相對排在兩側。USB 3.1 發送數據路徑同樣是 TX1+ 和 TX1- 與相對的 TX2+ 和 TX2-。
USB-C 連接器標準還支持視頻傳輸，包括 DisplayPort 和 HDMI。該標準稱之為交替模式，本文不做介紹。
在這種背景下，重要的是 USB-C 連接器標準規定的最大傳輸電流高達 5 V 下 3.0 A，功率高達 15 W。USB 電力傳輸標準 v2.0 更進一步，它規定支持 USB 3.1 的 USB-C 連接器可以提供高達 100 W 的功率（20 V，5 A）。該功率由四個 VBUS 引腳輸出。這使 USB 接口從輔助電源成為主電源。
若要在項目中支持高達 100 W 的功率，需要謹慎執行電路板布局步驟，確保用戶和開發人員的安全。大多數項目都不需要如此高的功率；例如，對于電流非常高的智能手機充電器，其額定電流可能為 3.0 A。但是，多數商用 USB-C 連接器的常見最佳設計是 VBUS 和 GND 引腳之間為 5.0 A。Amphenol FCI 的 USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1 直角型 USB-C 連接器支持這種設計（圖 3）。
圖 3：Amphenol FCI 的 10137062-00021LF USB-C 連接器是一種直角型頂部安裝的短體連接器，可以是通孔安裝或表面貼裝。（圖片來源：Amphenol FCI）
該 USB-C 插座連接器可支持最大 5 A 的電流，因此，100 W 的輸出將需要 20 V DC。但是，對于大多數項目而言，25 W（5 V，5 A）就足夠并且還安全。該 USB-C 連接器支持每秒 5 千兆比特 (Gbit/s) 的 USB 3.1 Gen 1 數據速率，最大額定電壓為 100 V DC 或 AC，根據 100 W 最大功率規格，可提供最大 1 A 的電流。
該連接器支持表面貼裝或通孔組裝，其位于印刷電路板的頂部。不銹鋼連接器外殼比鋁更堅固，并且通過電氣連接至 GND 引腳。
外殼必須使用四個窄卡舌接地，而卡舌會滑入印刷電路板的插槽內，連接器每側各兩個。務必使用大量焊料將這些卡舌焊接到電路板電源接地層，以確保牢固連接。
USB 3.1 高速差分信號必須仔細布線，使它們彼此相鄰且長度完全相同。保持差分信號的走線盡可能短，以最大限度地降低 EMI。為獲得最佳抗噪性，請將差分信號置于印刷電路板的內層。如果在印刷電路板外層上布線，則用接地走線包圍差分對走線來隔離來自其他數據線的信號。此外，務必在實心接地面上布設差分信號，以最大限度地降低 EMI。
設計印刷電路板時，需使差分走線阻抗為 90 歐姆 ±10%，以匹配 USB 電纜差分阻抗。另外，每條走線的布設方式要使每對的單端阻抗相同。一般說來，在這種情況下，差分對的阻抗是其中一對阻抗的兩倍。因此，布設走線時應使每個單端阻抗等于或接近 45 歐姆 ±10%。
布設功率信號更為關鍵。為防止與項目外殼或用戶發生意外短路，必須小心謹慎，確保安全地輸出 5 A 電流。該電流可以布設在印刷電路板的頂層或底層，但不應太靠近印刷電路板的邊緣。這樣有助于防止由于項目外殼受沖擊或損壞而導致與外殼意外連接。
要通過厚度為每平方英尺 2 盎司的銅覆層在印刷電路板上提供 5 A 的電流，需要 44.6 密耳的走線寬度。更安全的方法是通過在印刷電路板內層布設 5 A 電流，以隔離電流免受任何外部干擾，這需要在相同銅密度下使用 116 密耳的走線寬度（基于 IPC-2221 標準計算）。在 VBUS 連接器引腳附近的覆銅應盡可能多，以防止電流損失。
如果印刷電路板空間非常寶貴，可以垂直安裝 USB-C 插座連接器。為此，Amphenol FCI 提供了 USB 3.1 10132328-10011LF 垂直安裝 USB-C 連接器。
圖 4：Amphenol FCI 的這款垂直安裝 USB-C 連接器占用空間較小，可用于節省印刷電路板空間。（圖片來源：Amphenol FCI）
這款垂直 USB-C 連接器支持 10 Gbit/s 的 USB 3.1 Gen 2 數據傳輸標準。它還支持 100 W 的電力輸出，其最大額定電壓為 100 V DC 或 AC，并且能夠提供高達 5 A 的電流。該產品采用與直角型連接器相同的不銹鋼外殼構造。如同直角型連接器，需使用大量焊料確保外殼上的四個卡舌通過印刷電路板上的孔實現安全接地。
與直角型插座不同的是，它只是表面貼裝在連接器的小端，使 VBUS 電源觸點更靠近信號觸點。其中必須謹慎布設電源觸點，使其遠離信號觸點。若空間狹窄，最安全的方法是將數據對和 VBUS 電源觸點放置在不同的印刷電路板層上。
在為上述插座連接器供電時，USB 主機和設備之間有一個簡短的握手協議，決定了提供多大的電源。IC 可以處理 USB 灌入至拉出連接，使得這個過程對開發人員來說是透明的。
STMicroelectronics 的 STUSB1700 USB-C 源控制器就是一個很好的例子。這可以安全地管理 5 V USB-C 主機與設備的連接。在供電時，STUSB1700 可以檢測并防止電源短路、電流消耗超過設置的限值、過熱高于 145°C、欠壓和過壓狀況，以及反向電流和反向電壓狀況。這極大地簡化了 USB-C 系統的安全設計，同時為開發人員降低了復雜性。
圖 5：此電路中的 STUSB1700 輸出 3 A 電流，可獨立工作。如果由帶有 I2C 接口的可選微控制器管理，則必須添加上拉電阻 R3 至 R10。（圖片來源：STMicroelectronics）
STUSB1700 用于 USB-C 主機連接器，可以檢測主機與設備之間的新連接。該產品可以確定設備的電源需求并提供必要的電流。此外，還可確定設備是否為數字音頻附件，以便可以向微控制器發出信號，通過 USB-C 端口提供數字音頻。它可以與 USB 設備協商，以確定電源需求為 USB 默認值（最高 900 mA）、USB 中電流（最高 1.5 A）還是 USB 高電流（最高 3.0 A）。
新 USB-C 標準可以輕松安全地為設計適當的設備提供高達 100 W 的電力。隨著所有智能手機、數碼相機、計算機和電子配件都標準化為一種易于使用的連接器，開發人員不必再為使用哪種尺寸和類型的連接器而煩惱，這也是不會過時的設計。
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