安森美半導(dǎo)體靈活、小巧、低功耗的USB Type-C方案加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018-1-19 來(lái)源：安森美半導(dǎo)體 作者：-
隨著技術(shù)的演進(jìn)和人們對(duì)充電功率和數(shù)據(jù)傳輸速率的需求不斷提高，USB Type-C應(yīng)運(yùn)而生。USB Type-C是下一代USB連接器、端口和電纜的標(biāo)準(zhǔn)，支持雙向電源和正反逆插，提供更高的充電功率和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，為用戶帶來(lái)更高的性能和更多的便利，也為設(shè)計(jì)人員和制造商提供簡(jiǎn)潔性，將越來(lái)越廣泛地用于智能手機(jī)、平板電腦、擴(kuò)展塢、適配器等終端設(shè)備。IHS預(yù)計(jì)2019年基于 USB Type-C的設(shè)備出貨量將超過(guò)20億，為40%的USB總市場(chǎng)容量(TAM)。據(jù)ABI Research，到2020年約一半的智能手機(jī)和93%的筆記本電腦將含USB Type C互聯(lián)。
針對(duì)這最新的市場(chǎng)趨勢(shì)，安森美半導(dǎo)體為市場(chǎng)提供完整的Type-C和USB-PD方案，包括USB Type-C和USB-PD控制器、超高速開關(guān)、端口保護(hù)方案、轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器等。這些方案支持雙角色端口 (DRP)、下行端口 (DFP) 和上行端口 (UFP)，具有業(yè)界更低功耗、更小尺寸(比基于MCU的方案小達(dá)95%)，提供更簡(jiǎn)化和靈活的優(yōu)勢(shì)。
圖1：安森美半導(dǎo)體的主要Type-C和PD產(chǎn)品
USB標(biāo)準(zhǔn)及連接器的演進(jìn)
USB的出現(xiàn)可遠(yuǎn)追溯到1996年，當(dāng)時(shí)推出的USB 1.0傳輸速度為1.5 Mbps。然后2000年推出的USB 2.0傳輸速度提高到480Mbps，提供最大2.5 W (0.5 A，5 V)的功率，隨后USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速度提高到5Gbps，最大功率提高至4.5 W (0.9 A，5 V)。而最新的第二代USB 3.1將數(shù)據(jù)傳輸速度提升至10Gbps。
USB Type-C是新型的連接器。USB標(biāo)準(zhǔn)的原始設(shè)計(jì)是USB Type A，為扁平的矩形。Type A端口大多用于主機(jī)設(shè)備，如臺(tái)式電腦、筆記本電腦、游戲機(jī)和媒體播放器。USB micro B連接器較小，主要見于外圍設(shè)備。現(xiàn)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在向USB Type-C發(fā)展，支持USB 3.1和USB-PD，提供單個(gè)連接器/電纜，免去多個(gè)電纜和連接器的麻煩。USB Type-C端口最大功率可達(dá)15 W (3 A，5 V)。對(duì)于USB 3.1，若采用支持USB-PD的Type-C連接器，最高功率可達(dá)100 W (5 A，20 V)。
圖2：隨著技術(shù)的演進(jìn)，功率快速增長(zhǎng)
USB Type-C主要應(yīng)用
在智能手機(jī)、平板電腦等應(yīng)用中，USB Type-C主要作為充電接口和用于超高速數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)用作充電接口時(shí)，支持USB-PD和快充，通常僅一個(gè)插槽。安森美半導(dǎo)體針對(duì)此類應(yīng)用的Type-C及USB-PD產(chǎn)品主要有支持PD的可編程的Type-C 控制器FUSB302B、符合USB 3.1 Gen-II的Type-C超高速開關(guān)FUSB340 、支持TCPC的Type-C PD端口控制器FUSB307B、Type-C或USB2.0 D+/D-高速端口保護(hù)開關(guān)FSUSB242等。
在用于計(jì)算機(jī)時(shí)，USB Type-C實(shí)現(xiàn)多個(gè)雙角色端口和用于超高速數(shù)據(jù)的傳輸，并用作寬范圍的電源輸入/輸出端口，安森美半導(dǎo)體用于計(jì)算機(jī)的Type-C產(chǎn)品主要有FUSB340 、FUSB307B、FUSB252等。
對(duì)于AC-DC適配器，行業(yè)設(shè)計(jì)正帶動(dòng)增加的功率密度，需要支持可編程(PPS)。安森美半導(dǎo)體主要提供準(zhǔn)諧振PWM控制器FAN604和具有SRC默認(rèn)狀態(tài)的100W USB Type-C 可編程的控制器FUSB302BT。
如何降低USB 3.x的插入損耗
在支持USB 3.x的Type-C環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸，在這環(huán)境下的大多數(shù)應(yīng)用都需要一個(gè)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器來(lái)減小插入損耗，如圖像傳感器、汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)、平板電腦、游戲系統(tǒng)、手機(jī)、虛擬實(shí)境(VR)設(shè)備、有源電纜、打印機(jī)/掃描儀、高清顯示器、基座/集線器等。
電纜插入損耗可能會(huì)因不同的供應(yīng)商、電纜量規(guī)、類型而有所不同，而接口對(duì)電纜損耗性能有很大影響。FR4損耗因線長(zhǎng)、所采用的介質(zhì)和布線而有所不同。但電纜和FR4的損耗都取決于采用的數(shù)據(jù)速率。例如，9英寸FR4以5 Gbps傳輸時(shí)約有3.9 db 損耗，但以10 Gbps傳輸時(shí)有 6.9 db損耗。如果用24英寸FR4以5 Gbps傳輸時(shí)的損耗從3.9 db增至9.6 db，以10 Gbps傳輸時(shí)的損耗從6.9 db增至16.8 db。因此，這增加了的插入損耗，需要轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器。
第1代和第2代USB 3.1能提供更高的數(shù)據(jù)速率，但會(huì)帶來(lái)在USB有源電纜設(shè)計(jì)中減輕信號(hào)完整性損失的挑戰(zhàn)。有源電纜的長(zhǎng)度和性能將推動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和高質(zhì)量互聯(lián)的需要，必須識(shí)別其速度能力，且尺寸和低功耗是關(guān)鍵。
性能出色的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可減少碼間串?dāng)_，避免因不想要的信號(hào)失真影響傳輸，還有助于符合USB3.x眼圖高度和總抖動(dòng)規(guī)范。
安森美半導(dǎo)體的單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器如NB7NPQ701M、NB7VPQ701M和雙通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器NB7NPQ702M、NB7VPQ702M支持USB 3.1應(yīng)用，同時(shí)支持第一代USB 3.1 (5Gbps) 和第二代USB 3.1 (10Gbps)數(shù)據(jù)率，擴(kuò)展信號(hào)距離達(dá)36英寸FR4 或 5m電纜@ 5Gbps、達(dá)10英寸FR4 @ 10Gbps。其單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器與同類器件相比，眼高增加20%，抖動(dòng)降低20%。
10Gbps USB3.1超高速開關(guān)
FUSB340是10Gbps USB3.1超高速開關(guān)，典型帶寬達(dá)10 GHz，具有1.5 V至5 V的寬VDD范圍，提供2KV HBM ESD保護(hù)，符合Jedec標(biāo)準(zhǔn)，有源功耗低于12 uA，關(guān)斷功耗低于1 uA，在2.5GHz時(shí)的插入損耗僅-1 dB，采用18引腳的TMLP小型封裝(2.0mm x 2.8mm x 0.4mm)，是適用于手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、超便攜應(yīng)用所需的可正反逆插的Type-C USB 3.1連接器的小型分立方案。
與競(jìng)爭(zhēng)方案相比，F(xiàn)USB340具有更寬的電源電壓范圍、更快的數(shù)據(jù)速率、更高的帶寬、低插入損耗、更低的差分插入損耗(-28 dB)、更低的差分串?dāng)_(-44 dB)、更低的ICC關(guān)斷值(1 uA)和ICC有源值(0.03 mA)、更少引腳數(shù)、更小封裝(比競(jìng)爭(zhēng)方案至少小40%)和更薄高度。
USB 3.1 Type C連接器保護(hù)方案
在保護(hù)方面，安森美半導(dǎo)體采用兩個(gè)ESD8704器件保護(hù)超高速線路，8個(gè)ESD7471保護(hù)低速和輔助線路。ESD8704具有超低電容、低ESD鉗位電壓，接觸及空氣放電± 30 kV，滿足IEC61000-4-2 Level 4，采用2.5 x 1.0mm uDFN封裝。而ESD7471提供雙向瞬態(tài)電壓抑制，接觸及空氣放電± 20 kV，滿足IEC61000-4-2 Level 4，具有1.0 x 0.6 mm2的小外形。
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體提供靈活和易于集成的USB Type-C和USB-PD控制器方案支持最新的USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)，易于設(shè)置和配置，支持固件/提供驅(qū)動(dòng)器用于通用嵌入式控制平臺(tái)，功耗僅為競(jìng)爭(zhēng)方案的1/20，尺寸減少達(dá)95%，并針對(duì)USB3.x的超高速應(yīng)用，提供轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器、超高速開關(guān)和保護(hù)方案等全系列方，這些都是USB3.x設(shè)計(jì)人員的福音，此外，安森美半導(dǎo)體的USB解決方案網(wǎng)頁(yè)也使用戶輕松獲得關(guān)鍵應(yīng)用的優(yōu)化方案，加速他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
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