如何為USB Type-C設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備

USB Type-C 消除了傳統(tǒng) Type-A 和 Type-B 插頭的限制，并為 USB 和其他協(xié)議帶來(lái)了一系列好處。例如，USB Power Delivery 2.0 和 USB 備用模式使 USB Type-C 能夠取代顯示器、電源和其他獨(dú)特的電纜。不久之后，USB Type-C 可能成為電子設(shè)備唯一可用的標(biāo)準(zhǔn)連接器。

從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這意味著什么？設(shè)計(jì)人員將需要知道如何滿足新興規(guī)范，并解決供電和驗(yàn)證問(wèn)題。所涉及的挑戰(zhàn)可能很大，但可以通過(guò)正確的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行管理。

一根電纜，多種功能

從 2015 年開始，USB Type-C 取代了所有 USB 連接器。在不久的將來(lái)，人們可能會(huì)使用一種主要類型的電纜為所有電子設(shè)備供電和充電，并將它們連接到顯示器、音響系統(tǒng)、打印機(jī)和其他外圍設(shè)備。USB Type-C、USB Power Delivery 2.0 和 USB 備用模式使這種統(tǒng)一且無(wú)處不在的功能成為可能。

USB Type-C 具有幾個(gè)關(guān)鍵特性：

支持雙向插入的可逆插頭；換句話說(shuō)，主機(jī)和設(shè)備連接器是相同的

支持更高的數(shù)據(jù)速率，USB Type-C 3.1 Gen2 高達(dá) 10 Gbps

通過(guò)支持 USB Power Delivery 2.0 規(guī)范，提高功率，最高可達(dá) 100 W

提供雙向性，以便設(shè)備可以提供和消耗電力

支持可擴(kuò)展的電源充電，這意味著功耗可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要?jiǎng)討B(tài)變化

最終可以使用 USB 備用模式替換所有其他連接器

到目前為止，DisplayPort、MHL 和 PCI Express 規(guī)范都支持 USB 備用模式。這些模式還包括通過(guò)音頻附件、智能手機(jī)功能擴(kuò)展（未壓縮視頻接口和高速雙向數(shù)據(jù)）和擴(kuò)展塢應(yīng)用程序（充電）的數(shù)字音頻。更多的規(guī)格肯定會(huì)隨之而來(lái)。雖然這種變化對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，但從設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的角度來(lái)看，它確實(shí)帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。

USB Type-C 設(shè)計(jì)要求和挑戰(zhàn)

USB Type-C 具有特定的設(shè)計(jì)要求（圖 1）：

配置通道 （CC） 引腳上的上拉、下拉電阻

在 VCONN 提供供應(yīng)的能力

連接和標(biāo)記電纜檢測(cè)、冷插座和 VCONN 控制電路

為 CC 引腳提供 VCONN/Rp 的開關(guān)（面向下游的端口 （DFP））

控制關(guān)閉/打開 VBUS 的電源

切換將 SS_TX/SS_RX 連接到 TX1/RX1 或 TX2/RX2

圖 1： USB Type-C 功能模型。

每個(gè) USB 規(guī)范——Type-C 連接器和電纜、Power Delivery 2.0 和備用模式——都可以單獨(dú)實(shí)施；然而，當(dāng)結(jié)合使用這些互補(bǔ)的規(guī)范時(shí)，設(shè)計(jì)師將獲得更多的價(jià)值。因此，設(shè)計(jì)人員可以為 USB Type-C 開發(fā)單芯片解決方案。它們還可以匯集多種協(xié)議；例如，一個(gè)設(shè)計(jì)可以為 USB 和 DisplayPort 規(guī)范實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的 SERDES。并且，同一控制器/堆棧下可以支持 Power Delivery 2.0 和備用模式。由于所有這些新的和不同的部分及其復(fù)雜的依賴關(guān)系，系統(tǒng)驗(yàn)證可能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。需要考慮新級(jí)別的集成層次結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)接口的對(duì)齊和集成，

從 PHY 設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，也存在挑戰(zhàn)。采用不同的協(xié)議——包括即將到來(lái)的協(xié)議——需要一定程度的靈活性。然而，設(shè)計(jì)人員可能用于解決相關(guān)挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)技術(shù)可能會(huì)使驗(yàn)證更加復(fù)雜。遵守多種協(xié)議需要支持大電氣規(guī)范范圍的 PHY，尤其是在均衡方面，如 CTLE 或 DFE。這反過(guò)來(lái)又要求優(yōu)化單個(gè)設(shè)計(jì)以提高面積和性能效率，例如通過(guò)單個(gè)模擬 PHY。

采用更小的工藝來(lái)獲得數(shù)字優(yōu)勢(shì)對(duì)設(shè)計(jì)可以使用的電源電壓類型以及可用于滿足電氣要求的設(shè)備類型提出了嚴(yán)格的限制。例如，在 28 nm 及以下節(jié)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn) SoC 或 IP 供應(yīng)商僅選擇低于 1 V 的內(nèi)核設(shè)備和 1.8 VI/O 設(shè)備以具有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在現(xiàn)有裸片中支持 3 V 及以上電壓成為一大瓶頸，除非使用多 vt 和昂貴的附加掩模組。最大限度地降低成本并支持此類平臺(tái)需要許多電路技術(shù)來(lái)規(guī)避與電氣過(guò)應(yīng)力相關(guān)的可靠性問(wèn)題。

除了這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之外，驗(yàn)證也更加復(fù)雜。通過(guò)改進(jìn)的測(cè)試用例和更好的 DFT 方案，可以提高覆蓋率。然而，在查看多協(xié)議選項(xiàng)時(shí)，驗(yàn)證周期會(huì)減少，而不是一次考慮單個(gè)協(xié)議。

在這里，先進(jìn)工藝方面的經(jīng)驗(yàn)會(huì)有所幫助，特別是如果設(shè)計(jì)人員已經(jīng)處理過(guò)較低的電源電壓、較小設(shè)備的功耗和互連中的寄生 RC。除了技術(shù)方面的考慮之外，任何設(shè)計(jì)項(xiàng)目都存在通常的成本和上市時(shí)間壓力。

預(yù)先驗(yàn)證的 IP 如何提供幫助

克服這些設(shè)計(jì)和驗(yàn)證挑戰(zhàn)需要什么？預(yù)先驗(yàn)證的 IP 確實(shí)不會(huì)出錯(cuò)，這有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作并縮短周期。以下特性和功能在 USB Type-C 的 IP 中最有用。

首先，設(shè)計(jì)應(yīng)集成 Type-C 連接器和電纜規(guī)范所需的所有功能，即 CC 邏輯，以及可選的多路復(fù)用器，以實(shí)現(xiàn) Type-C 連接器帶來(lái)的所有好處，例如雙向性電纜、連接器翻轉(zhuǎn)和簡(jiǎn)化的 DFP/UFP 角色識(shí)別。

要為設(shè)計(jì)帶來(lái)靈活性，請(qǐng)尋求能夠支持 USB、DisplayPort 以及任何其他現(xiàn)有和新興協(xié)議的單一 PHY。多通道支持的額外好處將允許最大的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)也減輕庫(kù)存管理的復(fù)雜性。要解決跨功能、軟件和電氣規(guī)范的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)尋找已經(jīng)集成并符合相關(guān)規(guī)范的子系統(tǒng) IP，以確保兼容性。

電源管理是 USB Type-C IP 的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。對(duì)于此類設(shè)計(jì)，IP 必須能夠處理各種功率，并能夠與高達(dá) 100 W 的外部電源管理 IC 和高達(dá) 15 W 的 3 A over 5 V 的內(nèi)部電源管理 IC 通信，如USB Type-C 電纜和連接器規(guī)范的中電流和高電流模式。

為什么 IP 子系統(tǒng)方法是一個(gè)好主意

如果沒(méi)有必要，為什么要使用單個(gè)組件？選擇這條路線意味著要花時(shí)間確保組件經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并且可以很好地協(xié)同工作。相反，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)為 USB Type-C 實(shí)施預(yù)先驗(yàn)證、預(yù)先集成的 IP 子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化他們的工作。

理想的子系統(tǒng)應(yīng)包含關(guān)鍵組件，例如用于 USB 和其他可用規(guī)范的控制器、多協(xié)議 PHY，以及與外部供電堆棧接口的方法（圖 2）。子系統(tǒng)方法可以節(jié)省時(shí)間和精力，并比單個(gè)組件提供更好的性能和更低的功耗。這還允許設(shè)計(jì)人員配置端口、插槽以及其他主機(jī)和設(shè)備功能的數(shù)量。

圖 2： USB Type-C/DisplayPort 子系統(tǒng)。

USB的未來(lái)

USB Type-C 很可能成為電子設(shè)備的主要連接器規(guī)范。由于這些類型的設(shè)備對(duì)成本和時(shí)間很敏感，在設(shè)計(jì)中實(shí)施 USB Type-C IP 子系統(tǒng)有助于更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，從而更好地滿足預(yù)期的性能和功率目標(biāo)。

審核編輯：郭婷