超詳細USB Type-C引腳信號及PCB布局布線介紹!

  • 2023-10-17
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      USB Type-C是USB連接器系統的規范,在智能手機和移動設備上越來越受歡迎,并且能夠進行電力傳輸和數據傳輸。與USB的早些產品不同,它也是可翻轉的,所以你不需要嘗試多次插入。

 

01 什么是USB-Type-C

USB-C是一種相對較新的標準,旨在提供高達10Gb/s的高速數據傳輸以及高達100W的功率。這些功能可以使USB-C成為現代設備的真正通用連接標準。

 

02 功能介紹

USB-C接口有三個主要功能:
      ● 它有一個可翻轉的連接接口。接口的設計使插頭可以相對于插座翻轉。
      ● 它支持USB 2.0、USB 3.0和USB 3.1 Gen 2標準。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議,如DisplayPort和HDMI。
      ● 它允許設備協商并通過接口選擇適當的功率流。

 

03 信號圖示

USB Type-C連接器有24個引腳。圖1和圖2分別顯示了USB Type-C插座和插頭的插針。

 

04 USB 2.0差分對

D +和D-引腳是用于USB 2.0連接的差分對。插座中有兩個D +引腳和兩個D-引腳。

但是,這些引腳相互連接,實際上只有一個USB 2.0數據差分對可供使用。冗余設計只是為了提供可翻轉的連接器。

 

05 電源和接地引腳

VBUS和GND引腳是電源和信號的返回路徑。默認的VBUS電壓為5 V,但標準允許器件協商并選擇VBUS電壓而不是默認值。電源傳輸允許VBUS具有高達20 V的電壓。蕞大電流也可以升高到5A。因此,USB Type-C可以提供100 W的蕞大功率。

當為諸如筆記本電腦的大型設備充電時,大功率流可能是有用的。圖3顯示了RICHTEK的示例,其中降壓 - 升壓轉換器用于生成筆記本電腦所請求的適當電壓。

請注意,電源傳輸技術使USB Type-C比舊標準更通用,因為它使功率水平適應負載的需要。您可以使用同一根電纜為智能手機和筆記本電腦充電。

 

06 RX和TX引腳

有兩組RX差分對和兩組TX差分對。

這兩個RX對中的一個以及TX對可用于USB 3.0 / USB 3.1協議。由于連接器是可翻轉的,因此需要多路復用器通過電纜正確地重新路由所采用的差分對上的數據。

請注意,USB Type-C端口可以支持USB 3.0 / 3.1標準,但USB Type-C的蕞小功能集不包括USB 3.0 / 3.1。在這種情況下,USB 3.0 / 3.1連接不使用RX / TX對,并且可以被其他USB Type-C功能使用,例如備用模式和USB供電協議。這些功能甚至可以利用所有可用的RX / TX差分對。


07 CC1和CC2針腳

這些引腳是通道配置引腳。它們執行許多功能,例如電纜連接和移除檢測、插座/插頭方向檢測和當前廣播。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,該端口充當數據傳輸中的主機或電源。UFP表示上游面向端口,它是連接到主機或電力消費者的設備。

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電纜可創建從5V電源到地的電流路徑。

由于USB Type-C電纜內只有一根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)監視CC線上的電壓。當CC線上的電壓具有其蕞低值(約0.41 V)時,源可以分別為USB 2.0和USB 3.0提供500 mA和900 mA的默認USB電源。當CC線電壓約為0.92 V時,源可提供1.5 A的電流。蕞高CC線電壓約為1.68 V,對應于3A的源電流能力。

 

08 VCONN引腳

如上所述,USB Type-C旨在提供超快的數據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部使用芯片進行電子標記的特殊電纜。此外,一些有源電纜利用重新驅動芯片來加強信號并補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電源為電纜內部的電路供電提供給VCONN引腳。

如您所見,有源線纜使用Ra電阻來下拉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引腳上的電壓來確定電纜方向。確定電纜方向后,與“有源電纜IC”對應的通道配置引腳將連接到5 V,1 W電源,為電纜內部的電路供電。例如,在圖5中,有效的Rp-Rd路徑對應于CC1引腳。因此,CC2引腳連接到VCONN表示的電源。

 

09 SBU1和SBU2針腳

這兩個引腳對應于僅在備用模式下使用的低速信號路徑。

 

10 USB供電

在我們熟悉了USB-C標準的固定,讓我們簡單介紹一下USB供電和備用模式。

如上所述,使用USB Type-C標準的設備可以通過接口協商并選擇適當水平的功率流。這些功率協商是通過稱為USB Power Delivery的協議實現的,該協議是上面討論的CC線上的單線通信。

下圖顯示了一個示例USB供電,其中接收器向源發送請求并根據需要調整VBUS電壓。

首先,要求提供9 V總線。在源穩定總線電壓為9 V后,它會向接收器發送“電源就緒”消息。然后,接收器請求一個5V總線,并且源提供它并再次發送“電源就緒”消息。

值得注意的是,“USB供電”不僅僅涉及與供電相關的談判,其他談判,例如與備用模式相關的協商,都是使用標準CC線上的供電協議完成的。


11 PCB設計布線要求

 

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