一站式构建Type-C拓展坞方案

近几年Type-C的成功加速了各大厂商追求极致轻薄的脚步，以往笔电上常见的VGA、HDMI显示器接口、RJ45网口等逐渐消失，甚至USB Type-A接口数量都被削减。取而代之的是以Type-C接口及其拓展坞组成的解决方案。

一个全功能Type-C接口可以通过拓展坞分出视频接口(DP/HDMI/VGA)、USB接口、网口、SD/TF卡插槽、耳机孔等，解决多种媒体需求。受益于USB PD协议，Type-C接口支持给笔记本电脑快充，也可以给外围设备供电，真正做到吸纳万物，连接世界。

拆积木一样把拓展坞拆开

为实现视频信号输出、网络连接、外接移动硬盘、U盘、键鼠和快速充电功能，Type-C扩展坞需要集成USB PD协议芯片、HUB芯片和USB网卡芯片;从设备安全性考虑，还需要集成USB限流保护和ESD静电防护。精简的拓展坞系统组成如下图所示。

沁恒微电子在USB领域深耕多年，可以提供一站式Type-C拓展坞方案，真正实现USB PD协议芯片、HUB芯片、USB网卡芯片、USB与DP模拟开关、限流保护和ESD静电防护全覆盖。免去繁琐的选型和调试过程，方案专业且成熟，芯片适配性和兼容性有保证。以下是一款经典Type-C方案原理。

典型Type-C接口包括4对超速差分线、2对D+/D-、1对SBU、2条CC线、4条VBUS和4条地线。USB 3.x/USB4有多个规范，下文统一表述为USB 3.x/USB4。USB 3.x/USB4通过超速差分线传输，USB 2.0通过D+/D-传输。USB2.0、USB 3.x/USB4在线路上相互独立。完整的Type-C接口定义如下图。

USB2.0拓展结构

USB HUB芯片可从Type-C的单个USB2.0拓展出多个USB2.0接口，供用户外部连接移动硬盘、U盘、键鼠等设备。在HUB拓展的USB2.0接口下，内置USB网卡芯片即可拓展网络连接功能。由于HUB拓展的USB口对外连接下游设备，工作环境复杂，建议加入过流保护和ESD静电防护等。USB2.0典型拓展结构如图中左侧线路。

①HUB芯片CH334/CH335

沁恒提供CH334/CH335等USB HUB芯片，覆盖QFN、SOP和LQFP等封装形式。以CH334为例，该芯片支持高性能的MTT模式，MTT模式下4个TT处理器各对应1个端口，并发处理，性能高于单个TT处理器分时复用的STT模式。芯片上行端口支持 USB2.0高速480Mbps传输速率，下行端口支持USB2.0高速480Mbps、全速12Mbps和低速1.5Mbps。芯片采用工业级设计，外围精简，得益于5个USB收发器均为自研，可有效降低系统功耗和成本。

②低功耗USB网卡芯片CH397

CH397是一款高集成度、低功耗的USB网卡芯片，支持10M/100M以太网，免安装驱动程序或可选厂商驱动程序。该芯片支持休眠模式和低功耗睡眠模式，可通过魔术包和网络唤醒包等事件进行远程唤醒，支持UTP CAT5、CAT6双绞线，传输距离达120米。

③USB限流配电开关芯片CH217

CH217是一款可调限流门限的USB端口电源开关芯片。芯片内部集成了过流保护、过温保护、欠压保护等模块，支持不超过2.7A的可编程电流，在下游设备短路时可以限制输出电流从而保护供电系统。

④ESD保护芯片CH412

CH412是一款四路ESD保护二极管阵列芯片，能够承受IEC 61000-4-2规定的最高±15KV人体放电和±8KV接触放电ESD脉冲。

Type-C输出DP视频信号

Type-C可通过Alt Mode传输DP信号，如果需要HDMI，可以另加第三方的DP转HDMI芯片。Alt Mode使用超速差分线，不占用USB2.0，因此Type-C的USB2.0和DP可以共存。若使用一半超速差分线传输DP信号，则USB 3.x和DP信号也可以共存，缺点是DP的带宽受限。若采用全部超速差分线，则可以提供完整的DP性能，该模式下USB 3.x不再可用。如下图中间线路。

超高速模拟开关芯片CH482D/CH482X/CH9445F

需要同时使用USB 3.x和DP功能时，信号可通过多路复用器切换;沁恒超高速模拟开关芯片CH482、4x6通道超高速模拟开关CH9445F等适用于超高速USB 3.x/USB4、DP等差分信号的切换场景。

拓展坞的调度处理中心，PD单片机CH543

拓展坞从笔记本/手机等设备要电，或经由辅助供电接口为笔记本/手机充电，甚至从Type-C接口协商DP信号，均需要通过USB PD协议实现。

与采用外置PD收发器和控制器的方案不同，沁恒提供内置USB PD收发器和控制器的单片机CH543。该芯片可实现Alt Mode下DP信号的切换与协调;作为PMIC可用于电源管理，支持受电端、供电端、DRP等角色，支持正反充，最大PD快充功率100W(20V@5A)。CH543还支持可编程灌电流，可通过FB引脚控制DC-DC分512档逐级调节DC-DC输出电压。

作为控制核心，CH543不但能管理USB PD相关事务、监控输入电压，还可以通过自带的USB主机或设备接口连接至USB HUB，实现Billboard功能;或搭配CH217动态控制电流门限。CH543内置PWM、SPI、UART等常规外设，用户可根据需要拓展自定义功能。

本方案支持两种供电模式：不使用辅助电源时，拓展坞及其下游系统通过Type-C公口从笔记本电脑、手机等设备取电;使用辅助电源时，可以通过辅助电源给笔记本电脑、手机等设备充电，同时为拓展坞及其下游设备供电。两种模式均支持USB PD快充，辅助电源可以额外支持QC等快充协议。具体供电方式如下图所示。

以上Type-C拓展坞方案免驱、即插即用，将USB高速数据传输、DP视频接口、100M以太网和USB PD快充功能四合一。WCH拥有相对丰富的PC和笔电周边产品线，广泛应用于笔记本电脑、手机、游戏主机等典型场景，支持多种操作系统。除上述产品外，基于对连接技术和MCU内核等长期研究形成的核心技术IP，沁恒微电子还提供种类丰富的PD芯片、USB接口转换芯片、低功耗蓝牙SoC及青稞RISC-V内核连接型/无线型/互联型MCU.

审核编辑：汤梓红