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安森美半导体推出灵活、小巧、低功耗的USB Type-C方案加速系统设计

2018-02-02 14:20更新
  • 方案剖析

随着技术的演进和人们对充电功率和数据传输速率的需求不断提高,USB Type-C 应运而生。USB Type-C 是下一代 USB 连接器、端口和电缆的标准,支持双向电源和正反逆插,提供更高的充电功率和更高的数据传输速率,为用户带来更高的性能和更多的便利,也为设计人员和制造商提供简洁性,将越来越广泛地用于智能手机、平板电脑、扩展坞、适配器等终端设备。IHS 预计2019年基于 USB Type-C 的设备出货量将超过20亿,为40%的 USB 总市场容量(TAM)。据 ABI Research,到2020年约一半的智能手机和93%的笔记本电脑将含 USB Type C 互联。

 

针对这最新的市场趋势,安森美半导体为市场提供完整的 Type-C 和 USB-PD 方案,包括 USB Type-C 和 USB-PD 控制器、超高速开关、端口保护方案、转接驱动器等。这些方案支持双角色端口 (DRP)、下行端口 (DFP) 和上行端口 (UFP),具有业界更低功耗、更小尺寸(比基于 MCU 的方案小达95%),提供更简化和灵活的优势。

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图1:安森美半导体的主要 Type-C 和 PD 产品

 

USB 标准及连接器的演进

USB 的出现可远追溯到1996年,当时推出的 USB 1.0 传输速度为 1.5 Mbps。然后2000年推出的 USB 2.0 传输速度提高到 480Mbps,提供最大2.5 W (0.5 A,5 V)的功率,随后 USB 3.0 的数据传输速度提高到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 将数据传输速度提升至 10Gbps。

 

USB Type-C 是新型的连接器。USB 标准的原始设计是 USB Type A,为扁平的矩形。Type A 端口大多用于主机设备,如台式电脑、笔记本电脑、游戏机和媒体播放器。USB micro B 连接器较小,主要见于外围设备。现在行业标准正在向 USB Type-C 发展,支持 USB 3.1和 USB-PD,提供单个连接器/电缆,免去多个电缆和连接器的麻烦。USB Type-C 端口最大功率可达15 W (3 A,5 V)。对于 USB 3.1,若采用支持 USB-PD 的 Type-C 连接器,最高功率可达100 W (5 A,20 V)。

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图2:随着技术的演进,功率快速增长 

USB Type-C 主要应用

在智能手机、平板电脑等应用中,USB Type-C 主要作为充电接口和用于超高速数据的传输,当用作充电接口时,支持 USB-PD 和快充,通常仅一个插槽。安森美半导体针对此类应用的 Type-C 及 USB-PD 产品主要有支持 PD 的可编程的 Type-C 控制器 FUSB302B、符合 USB 3.1 Gen-II 的 Type-C 超高速开关 FUSB340 、支持 TCPC 的 Type-C PD 端口控制器 FUSB307B、Type-C 或 USB2.0 D+/D- 高速端口保护开关 FSUSB242 等。


在用于计算机时,USB Type-C 实现多个双角色端口和用于超高速数据的传输,并用作宽范围的电源输入/输出端口,安森美半导体用于计算机的 Type-C 产品主要有 FUSB340 、FUSB307B、FUSB252 等。

 

对于 AC-DC 适配器,行业设计正带动增加的功率密度,需要支持可编程(PPS)。安森美半导体主要提供准谐振 PWM 控制器 FAN604 和具有 SRC 默认状态的100W USB Type-C 可编程的控制器 FUSB302BT。

 

如何降低 USB 3.x 的插入损耗

在支持 USB 3.x 的 Type-C 环境中可实现超高速数据传输,在这环境下的大多数应用都需要一个转接驱动器来减小插入损耗,如图像传感器、汽车信息娱乐系统、平板电脑、游戏系统、手机、虚拟实境(VR)设备、有源电缆、打印机/扫描仪、高清显示器、基座/集线器等。

 

电缆插入损耗可能会因不同的供应商、电缆量规、类型而有所不同,而接口对电缆损耗性能有很大影响。FR4 损耗因线长、所采用的介质和布线而有所不同。但电缆和 FR4 的损耗都取决于采用的数据速率。例如,9英寸 FR4 以 5 Gbps 传输时约有 3.9 db 损耗,但以 10 Gbps 传输时有 6.9 db 损耗。如果用24英寸 FR4 以 5 Gbps 传输时的损耗从 3.9 db 增至 9.6 db,以 10 Gbps 传输时的损耗从 6.9 db 增至 16.8 db。因此,这增加了的插入损耗,需要转接驱动器。

 

第1代和第2代 USB 3.1 能提供更高的数据速率,但会带来在 USB 有源电缆设计中减轻信号完整性损失的挑战。有源电缆的长度和性能将推动对转接驱动器和高质量互联的需要,必须识别其速度能力,且尺寸和低功耗是关键。

 

性能出色的转接驱动器可减少码间串扰,避免因不想要的信号失真影响传输,还有助于符合 USB3.x 眼图高度和总抖动规范。

 

安森美半导体的单通道转接驱动器如 NB7NPQ701M、NB7VPQ701M 和双通道转接驱动器 NB7NPQ702M、NB7VPQ702M 支持 USB 3.1 应用,同时支持第一代 USB 3.1 (5Gbps) 和第二代 USB 3.1 (10Gbps) 数据率,扩展信号距离达36英寸 FR4 或 5m 电缆@ 5Gbps、达10英寸 FR4 @ 10Gbps。其单通道转接驱动器与同类器件相比,眼高增加20%,抖动降低20%。

 

10Gbps USB3.1超高速开关

FUSB340 是 10Gbps USB3.1 超高速开关,典型带宽达 10 GHz,具有 1.5 V 至 5 V 的宽 VDD 范围,提供 2KV HBM ESD 保护,符合 Jedec 标准,有源功耗低于 12 uA,关断功耗低于1 uA,在2.5GHz时的插入损耗仅-1 dB,采用18引脚的 TMLP 小型封装(2.0mm x 2.8mm x 0.4mm),是适用于手机、平板电脑、笔记本电脑、超便携应用所需的可正反逆插的 Type-C USB 3.1 连接器的小型分立方案。

 

与竞争方案相比,FUSB340 具有更宽的电源电压范围、更快的数据速率、更高的带宽、低插入损耗、更低的差分插入损耗(-28 dB)、更低的差分串扰(-44 dB)、更低的ICC关断值(1 uA)和ICC有源值(0.03 mA)、更少引脚数、更小封装(比竞争方案至少小40%)和更薄高度。

 

USB 3.1 Type C 连接器保护方案

在保护方面,安森美半导体采用两个 ESD8704 器件保护超高速线路,8个 ESD7471 保护低速和辅助线路。ESD8704 具有超低电容、低 ESD 钳位电压,接触及空气放电± 30 kV,满足 IEC61000-4-2 Level 4,采用2.5 x 1.0mm µDFN封装。而 ESD7471 提供双向瞬态电压抑制,接触及空气放电± 20 kV,满足 IEC61000-4-2 Level 4,具有1.0 x 0.6 mm2的小外形。


总结

安森美半导体提供灵活和易于集成的 USB Type-C 和 USB-PD 控制器方案支持最新的 USB Type-C 标准,易于设置和配置,支持固件/提供驱动器用于通用嵌入式控制平台,功耗仅为竞争方案的1/20,尺寸减少达95%,并针对 USB3.x 的超高速应用,提供转接驱动器、超高速开关和保护方案等全系列方案,这些都是 USB3.x 设计人员的福音,此外,安森美半导体的 USB 解决方案网页也使用户轻松获得关键应用的优化方案,加速他们的系统设计。

 


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