加速系統設計的低功耗的USB Type-C方案

隨著技術的演進和人們對充電功率和數據傳輸速率的需求不斷提高，USB Type-C應運而生。USB Type-C是下一代USB連接器、埠和電纜的標準，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據傳輸速率，為用戶帶來更高的性能和更多的便利，也為設計人員和製造商提供簡潔性，將越來越廣泛地用於智能手機、平板電腦、擴展塢、適配器等終端設備。IHS預計2019年基於 USB Type-C的設備出貨量將超過20億，為40%的USB總市場容量(TAM)。據ABI Research，到2020年約一半的智能手機和93%的筆記本電腦將含USB Type C互聯。

針對這最新的市場趨勢，安森美半導體為市場提供完整的Type-C和USB-PD方案，包括USB Type-C和USB-PD控制器、超高速開關、埠保護方案、轉接驅動器等。這些方案支持雙角色埠 (DRP)、下行埠 (DFP) 和上行埠 (UFP)，具有業界更低功耗、更小尺寸(比基於MCU的方案小達95%)，提供更簡化和靈活的優勢。

圖1：安森美半導體的主要Type-C和PD產品

USB標準及連接器的演進

USB的出現可遠追溯到1996年，當時推出的USB 1.0傳輸速度為1.5 Mbps。然後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，隨後USB 3.0的數據傳輸速度提高到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將數據傳輸速度提升至10Gbps。

USB Type-C是新型的連接器。USB標準的原始設計是USB Type A，為扁平的矩形。Type A埠大多用於主機設備，如台式電腦、筆記本電腦、遊戲機和媒體播放器。USB micro B連接器較小，主要見於外圍設備。現在行業標準正在向USB Type-C發展，支持USB 3.1和USB-PD，提供單個連接器/電纜，免去多個電纜和連接器的麻煩。USB Type-C埠最大功率可達15 W (3 A，5 V)。對於USB 3.1，若採用支持USB-PD的Type-C連接器，最高功率可達100 W (5 A，20 V)。

圖2：隨著技術的演進，功率快速增長

USB Type-C主要應用

在智能手機、平板電腦等應用中，USB Type-C主要作為充電介面和用於超高速數據的傳輸，當用作充電介面時，支持USB-PD和快充，通常僅一個插槽。安森美半導體針對此類應用的Type-C及USB-PD產品主要有支持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FUSB340 、支持TCPC的Type-C PD埠控制器FUSB307B、Type-C或USB2.0 D+/D-高速埠保護開關FSUSB242等。

在用於計算機時，USB Type-C實現多個雙角色埠和用於超高速數據的傳輸，並用作寬範圍的電源輸入/輸出埠，安森美半導體用於計算機的Type-C產品主要有FUSB340 、FUSB307B、FUSB252等。

對於AC-DC適配器，行業設計正帶動增加的功率密度，需要支持可編程(PPS)。安森美半導體主要提供准諧振PWM控制器FAN604和具有SRC默認狀態的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環境中可實現超高速數據傳輸，在這環境下的大多數應用都需要一個轉接驅動器來減小插入損耗，如圖像感測器、汽車信息娛樂系統、平板電腦、遊戲系統、手機、虛擬實境(VR)設備、有源電纜、印表機/掃描儀、高清顯示器、基座/集線器等。

電纜插入損耗可能會因不同的供應商、電纜量規、類型而有所不同，而介面對電纜損耗性能有很大影響。FR4損耗因線長、所採用的介質和布線而有所不同。但電纜和FR4的損耗都取決於採用的數據速率。例如，9英寸FR4以5 Gbps傳輸時約有3.9 db 損耗，但以10 Gbps傳輸時有 6.9 db損耗。如果用24英寸FR4以5 Gbps傳輸時的損耗從3.9 db增至9.6 db，以10 Gbps傳輸時的損耗從6.9 db增至16.8 db。因此，這增加了的插入損耗，需要轉接驅動器。

第1代和第2代USB 3.1能提供更高的數據速率，但會帶來在USB有源電纜設計中減輕信號完整性損失的挑戰。有源電纜的長度和性能將推動對轉接驅動器和高質量互聯的需要，必須識別其速度能力，且尺寸和低功耗是關鍵。

性能出色的轉接驅動器可減少碼間串擾，避免因不想要的信號失真影響傳輸，還有助於符合USB3.x眼圖高度和總抖動規範。

安森美半導體的單通道轉接驅動器如NB7NPQ701M、NB7VPQ701M和雙通道轉接驅動器NB7NPQ702M、NB7VPQ702M支持USB 3.1應用，同時支持第一代USB 3.1 (5Gbps) 和第二代USB 3.1 (10Gbps)數據率，擴展信號距離達36英寸FR4 或 5m電纜@ 5Gbps、達10英寸FR4 @ 10Gbps。其單通道轉接驅動器與同類器件相比，眼高增加20%，抖動降低20%。

10Gbps USB3.1超高速開關

FUSB340是10Gbps USB3.1超高速開關，典型帶寬達10 GHz，具有1.5 V至5 V的寬VDD範圍，提供2KV HBM ESD保護，符合Jedec標準，有源功耗低於12 uA，關斷功耗低於1 uA，在2.5GHz時的插入損耗僅-1 dB，採用18引腳的TMLP小型封裝(2.0mm x 2.8mm x 0.4mm)，是適用於手機、平板電腦、筆記本電腦、超便攜應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。

與競爭方案相比，FUSB340具有更寬的電源電壓範圍、更快的數據速率、更高的帶寬、低插入損耗、更低的差分插入損耗(-28 dB)、更低的差分串擾(-44 dB)、更低的ICC關斷值(1 uA)和ICC有源值(0.03 mA)、更少引腳數、更小封裝(比競爭方案至少小40%)和更薄高度。

USB 3.1 Type C連接器保護方案

在保護方面，安森美半導體採用兩個ESD8704器件保護超高速線路，8個ESD7471保護低速和輔助線路。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，採用2.5 x 1.0mm uDFN封裝。而ESD7471提供雙向瞬態電壓抑制，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

安森美半導體提供靈活和易於集成的USB Type-C和USB-PD控制器方案支持最新的USB Type-C標準，易於設置和配置，支持固件/提供驅動器用於通用嵌入式控制平台，功耗僅為競爭方案的1/20，尺寸減少達95%，並針對USB3.x的超高速應用，提供轉接驅動器、超高速開關和保護方案等全系列方，這些都是USB3.x設計人員的福音，此外，安森美半導體的USB解決方案網頁也使用戶輕鬆獲得關鍵應用的優化方案，加速他們的系統設計。

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