如何为USB Type-C设计做好准备

USB Type-C 消除了传统 Type-A 和 Type-B 插头的限制，并为 USB 和其他协议带来了一系列好处。例如，USB Power Delivery 2.0 和 USB 备用模式使 USB Type-C 能够取代显示器、电源和其他独特的电缆。不久之后，USB Type-C 可能成为电子设备唯一可用的标准连接器。

从设计的角度来看，这意味着什么？设计人员将需要知道如何满足新兴规范，并解决供电和验证问题。所涉及的挑战可能很大，但可以通过正确的设计技术进行管理。

一根电缆，多种功能

从 2015 年开始，USB Type-C 取代了所有 USB 连接器。在不久的将来，人们可能会使用一种主要类型的电缆为所有电子设备供电和充电，并将它们连接到显示器、音响系统、打印机和其他外围设备。USB Type-C、USB Power Delivery 2.0 和 USB 备用模式使这种统一且无处不在的功能成为可能。

USB Type-C 具有几个关键特性：

支持双向插入的可逆插头；换句话说，主机和设备连接器是相同的

支持更高的数据速率，USB Type-C 3.1 Gen2 高达 10 Gbps

通过支持 USB Power Delivery 2.0 规范，提高功率，最高可达 100 W

提供双向性，以便设备可以提供和消耗电力

支持可扩展的电源充电，这意味着功耗可以根据应用程序的需要动态变化

最终可以使用 USB 备用模式替换所有其他连接器

到目前为止，DisplayPort、MHL 和 PCI Express 规范都支持 USB 备用模式。这些模式还包括通过音频附件、智能手机功能扩展（未压缩视频接口和高速双向数据）和扩展坞应用程序（充电）的数字音频。更多的规格肯定会随之而来。虽然这种变化对消费者来说是个好消息，但从设计和验证的角度来看，它确实带来了一些挑战。

USB Type-C 设计要求和挑战

USB Type-C 具有特定的设计要求（图 1）：

配置通道 （CC） 引脚上的上拉、下拉电阻

在 VCONN 提供供应的能力

连接和标记电缆检测、冷插座和 VCONN 控制电路

为 CC 引脚提供 VCONN/Rp 的开关（面向下游的端口 （DFP））

控制关闭/打开 VBUS 的电源

切换将 SS_TX/SS_RX 连接到 TX1/RX1 或 TX2/RX2

图 1： USB Type-C 功能模型。

每个 USB 规范——Type-C 连接器和电缆、Power Delivery 2.0 和备用模式——都可以单独实施；然而，当结合使用这些互补的规范时，设计师将获得更多的价值。因此，设计人员可以为 USB Type-C 开发单芯片解决方案。它们还可以汇集多种协议；例如，一个设计可以为 USB 和 DisplayPort 规范实现一个通用的 SERDES。并且，同一控制器/堆栈下可以支持 Power Delivery 2.0 和备用模式。由于所有这些新的和不同的部分及其复杂的依赖关系，系统验证可能是一个巨大的挑战。需要考虑新级别的集成层次结构，包括系统接口的对齐和集成，

从 PHY 设计的角度来看，也存在挑战。采用不同的协议——包括即将到来的协议——需要一定程度的灵活性。然而，设计人员可能用于解决相关挑战的设计技术可能会使验证更加复杂。遵守多种协议需要支持大电气规范范围的 PHY，尤其是在均衡方面，如 CTLE 或 DFE。这反过来又要求优化单个设计以提高面积和性能效率，例如通过单个模拟 PHY。

采用更小的工艺来获得数字优势对设计可以使用的电源电压类型以及可用于满足电气要求的设备类型提出了严格的限制。例如，在 28 nm 及以下节点，标准 SoC 或 IP 供应商仅选择低于 1 V 的内核设备和 1.8 VI/O 设备以具有竞争力。因此，在现有裸片中支持 3 V 及以上电压成为一大瓶颈，除非使用多 vt 和昂贵的附加掩模组。最大限度地降低成本并支持此类平台需要许多电路技术来规避与电气过应力相关的可靠性问题。

除了这些设计挑战之外，验证也更加复杂。通过改进的测试用例和更好的 DFT 方案，可以提高覆盖率。然而，在查看多协议选项时，验证周期会减少，而不是一次考虑单个协议。

在这里，先进工艺方面的经验会有所帮助，特别是如果设计人员已经处理过较低的电源电压、较小设备的功耗和互连中的寄生 RC。除了技术方面的考虑之外，任何设计项目都存在通常的成本和上市时间压力。

预先验证的 IP 如何提供帮助

克服这些设计和验证挑战需要什么？预先验证的 IP 确实不会出错，这有助于简化设计工作并缩短周期。以下特性和功能在 USB Type-C 的 IP 中最有用。

首先，设计应集成 Type-C 连接器和电缆规范所需的所有功能，即 CC 逻辑，以及可选的多路复用器，以实现 Type-C 连接器带来的所有好处，例如双向性电缆、连接器翻转和简化的 DFP/UFP 角色识别。

要为设计带来灵活性，请寻求能够支持 USB、DisplayPort 以及任何其他现有和新兴协议的单一 PHY。多通道支持的额外好处将允许最大的设计灵活性，同时也减轻库存管理的复杂性。要解决跨功能、软件和电气规范的多个标准，请寻找已经集成并符合相关规范的子系统 IP，以确保兼容性。

电源管理是 USB Type-C IP 的另一个关键考虑因素。对于此类设计，IP 必须能够处理各种功率，并能够与高达 100 W 的外部电源管理 IC 和高达 15 W 的 3 A over 5 V 的内部电源管理 IC 通信，如USB Type-C 电缆和连接器规范的中电流和高电流模式。

为什么 IP 子系统方法是一个好主意

如果没有必要，为什么要使用单个组件？选择这条路线意味着要花时间确保组件经过验证并且可以很好地协同工作。相反，设计人员可以通过为 USB Type-C 实施预先验证、预先集成的 IP 子系统来进一步简化他们的工作。

理想的子系统应包含关键组件，例如用于 USB 和其他可用规范的控制器、多协议 PHY，以及与外部供电堆栈接口的方法（图 2）。子系统方法可以节省时间和精力，并比单个组件提供更好的性能和更低的功耗。这还允许设计人员配置端口、插槽以及其他主机和设备功能的数量。

图 2： USB Type-C/DisplayPort 子系统。

USB的未来

USB Type-C 很可能成为电子设备的主要连接器规范。由于这些类型的设备对成本和时间很敏感，在设计中实施 USB Type-C IP 子系统有助于更快地将产品推向市场，从而更好地满足预期的性能和功率目标。

审核编辑：郭婷