超詳細(xì)USB Type-C引腳信號(hào)及PCB布局布線介紹

Pcbbar · 發(fā)表于 2021-5-10 17:42:04

USB Type-C是USB連接器系統(tǒng)的規(guī)范，在智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備上越來(lái)越受歡迎，并且能夠進(jìn)行電力傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。
與USB的早些產(chǎn)品不同，它也是可翻轉(zhuǎn)的 - 所以你不需要嘗試多次插入。

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什么是USB-Type-CUSB-C是一種相對(duì)較新的標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供高達(dá)10Gb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸以及高達(dá)100W的功率。這些功能可以使USB-C成為現(xiàn)代設(shè)備的真正通用連接標(biāo)準(zhǔn)。
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功能介紹USB-C接口有三個(gè)主要功能：
● 它有一個(gè)可翻轉(zhuǎn)的連接接口。接口的設(shè)計(jì)使插頭可以相對(duì)于插座翻轉(zhuǎn)。
● 它支持USB 2.0、USB 3.0和USB 3.1 Gen 2標(biāo)準(zhǔn)。此外，它還可以在稱為備用模式（Alternate Mode）的操作模式下支持第三方協(xié)議，如DisplayPort和HDMI。
● 它允許設(shè)備協(xié)商并通過接口選擇適當(dāng)?shù)墓β柿鳌?/font>
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信號(hào)圖示USB Type-C連接器有24個(gè)引腳。圖1和圖2分別顯示了USB Type-C插座和插頭的插針。

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USB 2.0差分對(duì)D +和D-引腳是用于USB 2.0連接的差分對(duì)。插座中有兩個(gè)D +引腳和兩個(gè)D-引腳。
但是，這些引腳相互連接，實(shí)際上只有一個(gè)USB 2.0數(shù)據(jù)差分對(duì)可供使用。冗余設(shè)計(jì)只是為了提供可翻轉(zhuǎn)的連接器。
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電源和接地引腳VBUS和GND引腳是電源和信號(hào)的返回路徑。默認(rèn)的VBUS電壓為5 V，但標(biāo)準(zhǔn)允許器件協(xié)商并選擇VBUS電壓而不是默認(rèn)值。電源傳輸允許VBUS具有高達(dá)20 V的電壓。最大電流也可以升高到5A。因此，USB Type-C可以提供100 W的最大功率。
當(dāng)為諸如筆記本電腦的大型設(shè)備充電時(shí)，大功率流可能是有用的。圖3顯示了RICHTEK的示例，其中降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器用于生成筆記本電腦所請(qǐng)求的適當(dāng)電壓。

請(qǐng)注意，電源傳輸技術(shù)使USB Type-C比舊標(biāo)準(zhǔn)更通用，因?yàn)樗构β仕竭m應(yīng)負(fù)載的需要。您可以使用同一根電纜為智能手機(jī)和筆記本電腦充電。
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RX和TX引腳有兩組RX差分對(duì)和兩組TX差分對(duì)。
這兩個(gè)RX對(duì)中的一個(gè)以及TX對(duì)可用于USB 3.0 / USB 3.1協(xié)議。由于連接器是可翻轉(zhuǎn)的，因此需要多路復(fù)用器通過電纜正確地重新路由所采用的差分對(duì)上的數(shù)據(jù)。
請(qǐng)注意，USB Type-C端口可以支持USB 3.0 / 3.1標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)，并且可以被其他USB Type-C功能使用，例如備用模式和USB供電協(xié)議。這些功能甚至可以利用所有可用的RX / TX差分對(duì)。
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CC1和CC2針腳這些引腳是通道配置引腳。它們執(zhí)行許多功能，例如電纜連接和移除檢測(cè)、插座/插頭方向檢測(cè)和當(dāng)前廣播。這些引腳也可用于Power Delivery和Alternate Mode所需的通信。
下面的圖4顯示了CC1和CC2引腳如何顯示插座/插頭方向。在此圖中，DFP代表下游面向端口，該端口充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸中的主機(jī)或電源。UFP表示上游面向端口，它是連接到主機(jī)或電力消費(fèi)者的設(shè)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(chuàng)建從5V電源到地的電流路徑。由于USB Type-C電纜內(nèi)只有一根CC線，因此只形成一條電流路徑。例如，在圖4的上圖中，DFP的CC1引腳連接到UFP的CC1引腳。因此，DFP CC1引腳的電壓低于5 V，但DFP CC2引腳仍處于邏輯高電平。因此，監(jiān)控DFP CC1和CC2引腳上的電壓，我們可以確定電纜連接及其方向。
除電纜方向外，Rp-Rd路徑還用作傳遞源電流能力信息的方式。為此，功耗（UFP）監(jiān)視CC線上的電壓。當(dāng)CC線上的電壓具有其最低值（約0.41 V）時(shí)，源可以分別為USB 2.0和USB 3.0提供500 mA和900 mA的默認(rèn)USB電源。當(dāng)CC線電壓約為0.92 V時(shí)，源可提供1.5 A的電流。最高CC線電壓約為1.68 V，對(duì)應(yīng)于3A的源電流能力。
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VCONN引腳如上所述，USB Type-C旨在提供超快的數(shù)據(jù)傳輸速度以及高水平的功率流。這些特征可能需要使用通過在內(nèi)部使用芯片進(jìn)行電子標(biāo)記的特殊電纜。此外，一些有源電纜利用重新驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)加強(qiáng)信號(hào)并補(bǔ)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(nèi)部的電路供電提供給VCONN引腳。如圖5所示。

如您所見，有源線纜使用Ra電阻來(lái)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(lái)確定電纜方向。確定電纜方向后，與“有源電纜IC”對(duì)應(yīng)的通道配置引腳將連接到5 V，1 W電源，為電纜內(nèi)部的電路供電。例如，在圖5中，有效的Rp-Rd路徑對(duì)應(yīng)于CC1引腳。因此，CC2引腳連接到VCONN表示的電源。
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SBU1和SBU2針腳這兩個(gè)引腳對(duì)應(yīng)于僅在備用模式下使用的低速信號(hào)路徑。
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USB供電在我們熟悉了USB-C標(biāo)準(zhǔn)的固定，讓我們簡(jiǎn)單介紹一下USB供電和備用模式。
如上所述，使用USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可以通過接口協(xié)商并選擇適當(dāng)水平的功率流。這些功率協(xié)商是通過稱為USB Power Delivery的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，該協(xié)議是上面討論的CC線上的單線通信。下面的圖6顯示了一個(gè)示例USB供電，其中接收器向源發(fā)送請(qǐng)求并根據(jù)需要調(diào)整VBUS電壓。首先，要求提供9 V總線。在源穩(wěn)定總線電壓為9 V后，它會(huì)向接收器發(fā)送“電源就緒”消息。然后，接收器請(qǐng)求一個(gè)5V總線，并且源提供它并再次發(fā)送“電源就緒”消息。