安森美半导体灵活、小巧、低功耗的USB Type-C方案加速系统设计

人间烟火123 2018-01-19 09:42 次阅读

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。

安森美半导体灵活、小巧、低功耗的USB Type-C方案加速系统设计

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)。

安森美半导体灵活、小巧、低功耗的USB Type-C方案加速系统设计

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 uDFN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,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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