USB Type-C：即插即用连接的多面性

作者：Majeed Ahmad，特约编辑

不起眼的 USB 从其作为计算机外围设备的起源已经走过了漫长的道路，它的演变是一次非凡的技术之旅。但 USB 的空前增长也需要不同的带宽、连接器类型和功率水平。

现在，USB Type-C 标准的出现将已经很复杂的接口电子设备提升到了一个全新的水平。本文着眼于 USB Type-C 增长的有前景的新领域，并展示其紧凑的外形现在如何扩展到新技术前沿。

让我们从电力传输开始，它成为大多数头条新闻，因为它可以将电力消耗提高到 100 W，这样它甚至可以为笔记本电脑充电。

USB 供电采用 USB 供电 (USB-PD) 功能是交流适配器和电源、电源集线器、扩展坞、智能插头和显示器的主要趋势。它通过专用配置通道 (CC) 独立执行，以确保安全高效的电力输送。

此外，新的控制器芯片允许 USB 端口通过高度防篡改的安全技术进行身份验证。这些 USB 控制器还具有内置的过压保护功能，无需外部稳压器或 CPU 参与即可执行此功能。

USB-PD 3.0 规范为笔记本电脑和其他便携式设备提供端到端的电力传输和充电解决方案。除了供电和智能充电之外，USB Type-C 解决方案还将这种即插即用的连接机制应用于显示器、键盘和鼠标等各种外围设备。

三星的 DeX Station 就是一个重要的例子。它允许用户通过 USB Type-C 端口对接他们的 Galaxy S8 和 S8+ 智能手机，并在桌面环境中使用应用程序、查看文档和查看通知（图 1）。

图 1：赛普拉斯半导体的 USB 芯片为三星 DeX Station 扩展坞设计提供动力，创造智能手机即 PC 体验。

数字音频配件USB 连接现在正在扩展到数字音频应用，同时为无数多媒体设备提供服务，例如耳机、耳机、扬声器、MP3 配件、导航系统和销售点 (POS) 终端。

数字音频也很重要，因为新的智能手机设计正在用一个支持充电和 USB 连接的 USB 连接器取代模拟耳机插孔。然而，将模拟插孔连接到 USB-C 到微型 USB 适配器的低成本加密狗允许消费者继续使用他们现有的耳机。

Silicon Labs 最近推出了一种音频桥接芯片，用于在 USB 和集成 IC 间声音 (I 2 S) 接口之间传输数字音频数据（图 2）。I 2 S 是用于连接数字音频设备的串行总线接口。

图 2：Silicon Lab 的 CP2615 音频桥接器无需安装驱动程序，可与任何支持 USB Audio Class 1.0 的 USB 主机配合使用。

除了 I 2 S 音频接口外，单芯片 CP2615 音频桥还包括一个 USB 2.0 控制器、USB 收发器、片上振荡器、I 2 C 控制接口和用于存储设备配置的嵌入式闪存。

Silicon Labs 声称它是一种插入式连接解决方案，不需要 USB 音频知识或协议专业知识。因此，它使设计人员摆脱了固件开发的复杂性。

这家总部位于德克萨斯州奥斯汀的芯片制造商将这种单芯片解决方案用于需要 48 kHz 采样率的低端和中端市场耳机。

处理视频流量高清内容和 4K 视频是 USB Type-C 连接器设计的下一个前沿领域。以声称可以处理深度神经网络 (DNN) 应用程序的英特尔 USB 3 加密狗为例。在这里，英特尔将其最近从 Movidius 收购的计算机视觉技术投入使用。

Movidius 神经计算棒需要通过 USB 接口加载数据。该棒可用于任何 USB 3.0 平台，包括 Raspberry PI 和通常带有附加摄像头的个人计算机。

图 3：英特尔将其 USB 3 加密狗称为独立的人工智能加速器。

加密狗通过 USB 接口加载数据，以帮助诸如飞行控制和无人机等设备中的对象识别和 3D 映射等应用。例如，无人机摄像头可以捕捉场景并跟踪对象，同时通过 USB 接口传输视频数据。

然而，USB Type-C 连接器要将电源、音频和视频流量传输到单个端口这一事实也使其成为一项复杂的任务。为此，像 Synopsys 这样的 EDA 公司正在引入经过验证的 IP 块、验证套件和测试用例。

USB 设计工具芯片制造商正在实施必要的高性能 I/O 构建块，以确保单个 USB/DisplayPort 接口可以连接到 USB Type-C 设备。其中包括最新 USB 规范的控制器、PHY、验证 IP 和测试套件。

以 USB 3.2 规范为例，该规范将新主机和设备添加到 USB Type-C 连接以创建多通道解决方案。它最多允许两个 5 Gbps 通道或两个 10 Gbps 通道，从而使 USB Type-C 电缆的数据速率翻倍。

Synopsys 已为 USB 3.2 主机和设备提供验证 IP；但是，它继续支持现有的 SuperSpeed USB 物理层数据速率和编码技术。

验证 IP 包括广泛的协议检查以及与 Synopsys Verdi 协议感知调试的集成。此外，EDA 公司正在通过提供对 USB 3.2 标准的早期支持的 UVM 源代码测试套件来补充其用于 USB 3.2 设计的验证 IP。

结论我们现在看到的是 USB 芯片，它们继续在高度集成的片上系统 (SoC) 设计中加入更多功能，同时旨在通过补充工具降低设计复杂性。而且现在有更多的设计工具可以帮助开发人员快速配置 USB 参数。

例如，本文前面提到的音频桥芯片带有基于 GUI 的 Xpress Configurator 工具。它允许开发人员通过三个步骤实现数字音频：连接桥接芯片、配置 USB 和音频参数以及对设备进行编程。

审核编辑 黄昊宇