最新的USB連接器/電纜、功率傳輸 (PD) 和協(xié)議規(guī)范（分別為USB Type-C、USB PD 3.0和USB 3.2）進(jìn)一步提高了連接器的易用性、USB的數(shù)據(jù)吞吐量和功率傳輸能力。然而，那些渴望使用新規(guī)范的設(shè)計(jì)人員卻發(fā)現(xiàn)自身面臨著諸多實(shí)施挑戰(zhàn)。尤其是新規(guī)范支持高電壓和大電流，可能會(huì)導(dǎo)致不兼容外設(shè)損壞，造成電纜、連接器和端口過熱。

尚不熟悉USB Type-C和USB PD的開發(fā)人員，必須設(shè)法在具有適當(dāng)軟件接口的受控環(huán)境中試驗(yàn)這些新技術(shù)。USB芯片供應(yīng)商已經(jīng)對(duì)此作出回應(yīng)，推出了配備軟件和電路板的評(píng)估套件 (EK)，其中包括電源、用于連接PC的USB接口以及最新一代的USB芯片。借助這些EK，開發(fā)人員可以利用帶用戶友好界面的成熟設(shè)計(jì)來獲取USB Type-C和USB PD的配置經(jīng)驗(yàn)。此外，這些EK也可用作開發(fā)人員原型開發(fā)的參考設(shè)計(jì)。

本文將概述最新USB Type-C規(guī)范的關(guān)鍵屬性，并闡示一些實(shí)施難題。另外，還將介紹ON Semiconductor、STMicroelectronics和Texas Instruments推出的套件，并展示如何使用這些套件來安全探索USB新技術(shù)的功能。作為評(píng)估套件和評(píng)估板基礎(chǔ)的集成組件可用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而提高性能，節(jié)省空間并減少元器件數(shù)量。

為何要升級(jí)為最新USB規(guī)范

將產(chǎn)品升級(jí)為最新USB規(guī)范的主要原因包括：

便利性更高：USB Type-C基于緊湊型可逆插頭連接器，更適合現(xiàn)代消費(fèi)類電子產(chǎn)品的外形尺寸，讓消費(fèi)者使用更便利。

吞吐量更大：USB 3.2（于2017年推出，現(xiàn)已統(tǒng)合所有先前的USB 3.x規(guī)范）數(shù)據(jù)速率高達(dá)20Gb/s。

功率更大：USB PD 3.0提供功率高達(dá)100W (5A x20V)，可為平板電腦和便攜式計(jì)算機(jī)快速充電。

USB Type-C連接器對(duì)于USB 3.2第2x2代規(guī)范必不可少，今后該標(biāo)準(zhǔn)的新版本將只兼容這類連接器（而不兼容Type-A和Type-B連接器）。該規(guī)范定義了24針連接器，即四個(gè)+5V接地引腳、兩對(duì)用于USB 2.0數(shù)據(jù)總線差分信號(hào)、四對(duì)用于SuperSpeed數(shù)據(jù)總線、兩個(gè)“輔助”引腳、用于有源電纜的 VCONN+5V電源，以及用于電纜方向檢測(cè)和連接管理的通道配置 (CC) 引腳。請(qǐng)注意，在特定應(yīng)用中引腳使用有所不同，具體取決于所采用的通信協(xié)議和功率傳輸要求（圖1）。

圖1：USB Type-C 24針連接器可反轉(zhuǎn)使用，CC引腳用于電纜方向檢測(cè)和連接管理。（圖片來源：Texas Instruments）

“全功能”USB Type-C連接器和電纜支持最快的USB數(shù)據(jù)速率。例如，使用USB Type-C時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇USB 3.2第1代 (SuperSpeed 5 Gb/s)、USB 3.2第2代(SuperSpeed 10 Gb/s) 或USB 3.2第2x2代 (SuperSpeed 20Gb/s) 協(xié)議。請(qǐng)注意，若使用“非全功能”USB Type-C連接器和電纜組合，則不適用于最新規(guī)范支持的功能。下文只探討使用全功能USB Type-C硬件的設(shè)計(jì)。

借助USB Type-C，設(shè)計(jì)人員還能充分利用USB PD 2.0/3.0供電協(xié)議允許的USB PD最高電壓和最大電流。自USB PD 2.0起，規(guī)范定義了5V、9V、15V和20V四個(gè)電壓電平。此外，電源最大輸出功率還支持0.5W至100W之間的任意值，而非USB PD 1.0標(biāo)準(zhǔn)的六個(gè)固定功率水平。功率超過15W的電源電壓為5V和9V，超過27W為5V、9V和15V，超過45W為5V、9V、15V和20V。各種電壓和電流組合稱作“功率分布”。

盡管功率水平靈活配置具有諸多優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)支持的高電壓和大電流卻增大了實(shí)施復(fù)雜性，并帶來若干奇特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，USB PD需要新增端口控制器，以協(xié)調(diào)和實(shí)施USB PD功率發(fā)布。短時(shí)間內(nèi)，慣用USB Type-A的設(shè)計(jì)人員可能無法適應(yīng)這些差異，因而導(dǎo)致設(shè)計(jì)決策不合適或具潛在破壞性的風(fēng)險(xiǎn)增大。

例如，帶USB PD的USB Type-C系統(tǒng)可通過USB A轉(zhuǎn)C電纜連接至 USB Type-A 端口；USB Type-A端口的VBUS保持在5V左右，而帶USB PD的USB Type-C端口可在5A下提供高達(dá)20V電壓。因此，電流將從VBUS電壓較高的端口流向另一端口，但是許多USB Type-A端口功率開關(guān)不具備反向電流保護(hù)，因而可能會(huì)因高電壓而損壞。（有關(guān)USB Type-C和USB PD設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)參見Digi-Key文章“USB Type-C 設(shè)計(jì)和使用功率傳輸進(jìn)行快速充電”）。

USB Type-C復(fù)雜性管理

USB Type-C和USB PD可通過可配置的電纜、接口和功率設(shè)置實(shí)現(xiàn)多功能性。USB Type-C連接器使用CC引腳進(jìn)行電氣檢測(cè)和連接配置。USB Type-C端口可以作為僅主機(jī)、僅設(shè)備（以傳統(tǒng)USB主機(jī)和設(shè)備運(yùn)行）或雙角色端口 (DRP)；主機(jī)是下行端口 (DFP)，設(shè)備是上行端口 (UFP)。

USB Type-C的其他優(yōu)勢(shì)包括：

雙角色端口可重新配置。例如，便攜式計(jì)算機(jī)通過顯示器充電時(shí)可作為UFP，而為微型風(fēng)扇供電時(shí)可作為DFP。

可根據(jù)需要配置VCONN，以確定VBUS使用USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)電源或USB PD。

支持可選的備用和配件模式。

使用端口控制器與PD控制器配合協(xié)調(diào)電源要求和方向，例如不會(huì)用智能手機(jī)等電池容量不大的設(shè)備為便攜式計(jì)算機(jī)等大功率設(shè)備供電。端口控制器通常包括嵌入式微控制器，因而無需外部設(shè)備來監(jiān)控電力交易。

為了有效管理復(fù)雜性并確保設(shè)計(jì)成功，USB芯片供應(yīng)商推出評(píng)估套件，為設(shè)計(jì)人員提供經(jīng)優(yōu)化的受保護(hù)電路進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)估配置以選擇最適合應(yīng)用的USB Type-C和USB PD。例如，ON Semiconductor的STR-USBC-4PORT-200W-EVK是一款200W、四端口USB Type-C EK。該套件具有多個(gè)輸出電壓，分別為5V、9V、15V和20V，最大電流為5A，每個(gè)端口的最大輸出功率為100W，開發(fā)人員可藉此探索USB PD 3.0的功能。由于受電源限制，該EK四個(gè)端口的最大總輸出功率為200W。

STR-USBC-4PORT-200w-EVK包括USB PD端口控制器、高壓保護(hù)開關(guān)和降壓電源控制器。此外，該套件還配備了AC/DC電源，輸入電壓為90V - 265V，內(nèi)置過流和熱保護(hù)。該EK隨附ON Semiconductor的Strata 軟件，其中包括配置工具，可用于功率分布測(cè)試、各種故障和折返功能試驗(yàn)、系統(tǒng)遙測(cè)監(jiān)控，并為連接的設(shè)備提供可變充電負(fù)載（圖2）。

圖2：ON Semiconductor的USBType-C EK包括200W AC/DC前端和四端口USBPD輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）

該EK的端口控制器采用ON Semiconductor的FUSB307B，旨在實(shí)現(xiàn)帶USB PD功能的USB Type-C端口控制器 (TCPC)。作為TCPC，該芯片符合USB PD接口規(guī)范，具有用于USB Type-C端口管理器(TCPM) 的標(biāo)準(zhǔn)化接口，并集成用于手動(dòng)連接/斷開檢測(cè)的USB Type-C檢測(cè)電路。該芯片可自動(dòng)處理時(shí)間關(guān)鍵型PD功能，而無需使用系統(tǒng)微控制器或TCPM。

就這方面而言，STMicroelectronics推出了STEVAL-ISC004V1 USB PD EK。該EK是一款即用型USB PD源，基于該公司的STUSB4710A USB PD控制器，演示了如何將固定電壓的直流電源輸入轉(zhuǎn)換為USB PD可變電壓輸出。USB PD控制器通過USB Type-C的CC引腳進(jìn)行通信，以協(xié)調(diào)傳輸至連接設(shè)備的給定功率，無需微控制器支持即可處理與DFP或UFP的連接。

此外，Texas Instruments (TI) 還推出了USB-CTM-MINIDK-EVM，一款USB Type-C塢站接口EK（圖3）。該EK是一款USB Type-C塢站參考解決方案，包括USB PD、音頻、USB數(shù)據(jù)、電源和視頻；通過USB Type-C PD主端口支持拉出和灌入電流功能。由外部USB Type-C充電器供電時(shí)，塢站可在3A下提供5V電壓，在5A下提供12V至20V電壓。

該EK包括：

TUSB8041：四端口USB 3.0集線器控制器，通過DFP和UFP均可提供SuperSpeedUSB連接。

TUSB321：TCPC用于檢測(cè)端口連接/斷開、電纜方向和角色。該芯片可配置為 DFP、UFP或DRP。

TPS65982：USB Type-C 控制器用于 USB PD 協(xié)調(diào)和啟用電源路徑。

ON Semiconductor、TI和STMicroelectronics的EK可協(xié)助工程師完成帶USB PD的USB Type-C設(shè)計(jì)設(shè)置和配置。

使用ON Semiconductor的EK開發(fā)需借助該公司的Strata Developer Studio。首先，開發(fā)人員需向EK施加交流電壓，使用USB Mini-B電纜將其連接至 PC，登錄并允許PC檢測(cè)EK，下載相關(guān)內(nèi)容。

開發(fā)人員可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本設(shè)置，包括最大系統(tǒng)功率（從30W至200W），該設(shè)置可確保四個(gè)端口的總PD“合同”不超過交流電源的總功率，以及“保證功率”設(shè)置，即端口1始終按分配輸出功率，而其他端口共享剩余功率。此外，還提供故障保護(hù)設(shè)置，可用于確定指示故障狀態(tài)的溫度閾值。

然后，開發(fā)人員就可以著手測(cè)試各種端口設(shè)置，包括：

端口最大功率：設(shè)置后所有合同均不得超出該限值

限流：0至6A

電纜補(bǔ)償：拉電流較高時(shí)，減少灌入設(shè)備的電壓降

功率分布廣播：插入設(shè)備后，將顯示提供給灌入設(shè)備的功率分布列表

再者，開發(fā)人員可以訪問瀏覽器，其中詳細(xì)列出USB端口的總輸入電壓和功率，以及各個(gè)端口的功率分布 (V)、PD合同 (W)、輸出電壓和功率、溫度和能效等相關(guān)性能信息。該EK可連接示波器以顯示VBUS轉(zhuǎn)換等詳細(xì)性能信息（圖4）。

圖4：ON Semiconductor的USB Type-C EK可連接示波器以詳細(xì)分析該芯片的工作特性。（圖片來源：ON Semiconductor）

STMicroelectronics EK的工作方式與ON Semiconductor EK類似。連接22V（最小值）直流電源和帶USB Type-C 連接器的外設(shè)后，通過I2C接口，即可從非易失性存儲(chǔ)器將該EK的板載USB PD控制器設(shè)置讀取至PC。然后，開發(fā)人員通過PC接口重新配置最多五個(gè)PD電壓和電流輸出、峰值電流、欠壓和過壓鎖定。在PC上完成設(shè)置后，可將配置編程導(dǎo)入U(xiǎn)SB PD控制器的存儲(chǔ)器，用于為連接的外設(shè)供電。

TI的EK則需要與該公司的USB Type-C使能板配合使用。使用USB Type-A轉(zhuǎn)USB Type-B電纜和DisplayPort電纜，將使能板連接至PC，再使用USB Type-C電纜將EK連接至USB Type-C使能板。然后，開發(fā)人員就可直接在PC上測(cè)試USB 3.0集線器、TCPC和USB Type-C控制器的配置。

總結(jié)

USB Type-C和USB PD為消費(fèi)者帶來便利，提高了吞吐量和功率傳輸能力，可為連接的外設(shè)供電，也可為其電池充電。不過，該技術(shù)也相應(yīng)增大了復(fù)雜性，給慣用USB Type-A系統(tǒng)的開發(fā)人員帶來相當(dāng)艱巨的實(shí)施挑戰(zhàn)。

如上所述，尚不熟悉USB Type-C和USB PD的開發(fā)人員，現(xiàn)可利用主要USB芯片供應(yīng)商推出的評(píng)估套件，通過用戶友好界面以受控方式進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)。此外，這些EK也可用作開發(fā)人員原型開發(fā)的參考設(shè)計(jì)。

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