USB Type-C 電力傳輸電路設(shè)計

USB Type-C? 規(guī)范引入了通過 USB 提供可擴(kuò)展電力傳輸?shù)男逻x擇，但該規(guī)范錯綜復(fù)雜，開發(fā)人員面臨著安全和布局問題。

本文將介紹 USB Type-C（也稱為 USB Type-C）插座解決方案，并指導(dǎo)開發(fā)人員如何在新設(shè)計中集成和布設(shè)這些 USB Type-C 插座連接器，以便為外部設(shè)備安全地提供可擴(kuò)展 USB 電源。

USB Type-C 簡介

最初的 USB 1.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(guī)范有所改變，其允許最大 900 mA 的電流。所有這些標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用及相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。USB Type-C 不是數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，而是一種新的微型 USB 連接器標(biāo)準(zhǔn)?？v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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致需要不斷地顛倒連接器并重新插入。

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(fèi)類設(shè)備上，開發(fā)人員開發(fā)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(fā)人員和用戶來說也有與 Type-A 相同的方向問題。

新型 USB Type-C 連接器（圖 1 右下方）僅略大于 Android 智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備上的 USB micro-B 連接器。它同時取代了計算機(jī)（主機(jī)）和設(shè)備連接器，從而只需一條線就可以連接各種設(shè)備。此外，USB Type-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(xiàn)穩(wěn)固連接。

USB Type-C 連接器引腳排列和功率級

USB Type-C 連接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。當(dāng)用于 USB 3.1 時，標(biāo)準(zhǔn)要求其同時支持向后兼容 USB 2.0，并且在新設(shè)計中推薦使用這種方式。但是，對于低數(shù)據(jù)速率設(shè)計，該連接器也可僅用于 USB 2.0。

觀察 USB Type-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(cè)（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(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 雙向數(shù)據(jù)引腳 D+ 和 D-，它們對于所有 USB Type-C 數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用都是必需的。USB 3.1 具有獨(dú)立的高速數(shù)據(jù)發(fā)送和接收路徑，接收引腳 RX1+ 和 RX1 與 RX2+ 和 RX2- 相對排在兩側(cè)。USB 3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)路徑同樣是 TX1+ 和 TX1- 與相對的 TX2+ 和 TX2-。

USB Type-C 連接器標(biāo)準(zhǔn)還支持視頻傳輸，包括 DisplayPort 和 HDMI。該標(biāo)準(zhǔn)稱之為交替模式，本文不做介紹。

在這種背景下，重要的是 USB Type-C 連接器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大傳輸電流高達(dá) 5 V 下 3.0 A，功率高達(dá) 15 W。USB 電力傳輸標(biāo)準(zhǔn) v2.0 更進(jìn)一步，它規(guī)定支持 USB 3.1 的 USB Type-C 連接器可以提供高達(dá) 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。

實施 USB Type-C 連接器設(shè)計可能會非常棘手

若要在項目中支持高達(dá) 100 W 的功率，需要謹(jǐn)慎執(zhí)行電路板布局步驟，確保用戶和開發(fā)人員的安全。大多數(shù)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(jī)充電器，其額定電流可能為 3.0 A。但是，多數(shù)商用 USB Type-C 連接器的常見最佳設(shè)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 Type-C 連接器支持這種設(shè)計（圖 3）。

該 USB Type-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(shù)項目而言，25 W（5 V，5 A）就足夠并且還安全。該 USB Type-C 連接器支持每秒 5 千兆比特 (Gbit/s) 的 USB 3.1 Gen 1 數(shù)據(jù)速率，最大額定電壓為 100 V DC 或 AC，根據(jù) 100 W 最大功率規(guī)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(nèi)，連接器每側(cè)各兩個。務(wù)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 Type-C 連接器信號布線

USB 3.1 高速差分信號必須仔細(xì)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(nèi)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(shù)據(jù)線的信號。此外，務(wù)必在實心接地面上布設(shè)差分信號，以最大限度地降低 EMI。

設(shè)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(shè)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(shè)走線時應(yīng)使每個單端阻抗等于或接近 45 歐姆 ±10%。

如何安全地布設(shè) USB Type-C 功率信號

布設(shè)功率信號更為關(guān)鍵。為防止與項目外殼或用戶發(fā)生意外短路，必須小心謹(jǐn)慎，確保安全地輸出 5 A 電流。該電流可以布設(shè)在印刷電路板的頂層或底層，但不應(yīng)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(dǎo)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(nèi)層布設(shè) 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(biāo)準(zhǔn)計算）。在 VBUS 連接器引腳附近的覆銅應(yīng)盡可能多，以防止電流損失。

垂直安裝 USB Type-C 連接器

如果印刷電路板空間非常寶貴，可以垂直安裝 USB Type-C 插座連接器。為此，Amphenol FCI 提供了 USB 3.1 10132328-10011LF 垂直安裝 USB Type-C 連接器。

這款垂直 USB Type-C 連接器支持 10 Gbit/s 的 USB 3.1 Gen 2 數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。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(dá) 5 A 的電流。該產(chǎn)品采用與直角型連接器相同的不銹鋼外殼構(gòu)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(xiàn)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(jǐn)慎布設(shè)電源觸點，使其遠(yuǎn)離信號觸點。若空間狹窄，最安全的方法是將數(shù)據(jù)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(jī)和設(shè)備之間有一個簡短的握手協(xié)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(fā)人員來說是透明的。

STMicroelectronics 的 STUSB1700 USB Type-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 Type-C 主機(jī)與設(shè)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(shè)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 Type-C 系統(tǒng)的安全設(shè)計，同時為開發(fā)人員降低了復(fù)雜性。

STUSB1700 用于 USB Type-C 主機(jī)連接器，可以檢測主機(jī)與設(shè)備之間的新連接。該產(chǎn)品可以確定設(shè)備的電源需求并提供必要的電流。此外，還可確定設(shè)備是否為數(shù)字音頻附件，以便可以向微控制器發(fā)出信號，通過 USB Type-C 端口提供數(shù)字音頻。它可以與 USB 設(shè)備協(xié)商，以確定電源需求為 USB 默認(rèn)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）。

總結(jié)

新 USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)可以輕松安全地為設(shè)計適當(dāng)?shù)脑O(shè)備提供高達(dá) 100 W 的電力。隨著所有智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、計算機(jī)和電子配件都標(biāo)準(zhǔn)化為一種易于使用的連接器，開發(fā)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(shè)計。