选择灵活的Type―C半导体元件

时间:2022-09-27 06:14:05

由于新型USB Type-C接头具有更高的性能并且方便消费者使用,高端电子设备厂商争相在其设备中应用该新接头。然而采用该新标准时,制造商必须谨慎选择一种方式,不仅能够快速添加新接头,而且在标准从初级开始变化时允许灵活升级。本文讨论在选择Type-C元件时硅设计选择的几个重要方面,包括:在标准发生变化时能够进行升级,能够跨越不同的平台和未来的平台使用,容易与现有设计、功率和尺寸集成。

新型USB Type-C接头,如图1所示,具有更高的性能和易用性。高端电子设备厂商争相在其设备中使用该接头。然而采用该新标准时,制造商必须谨慎选择一种方式,不仅能够快速添加新接头,而且在标准从初级开始演变时允许灵活升级。

USB Type-C接头只比标准的USB2.0 micro-B接头大一点点,但提供的功能却多很多。在使用较老的micro-B和STD-A接头时,搞笑的是需要尝试3次才能正确插入接头。Type-C接头在内部有更多的连接(24),允许正反两面插入,因此插件方便,减少较老的micro-B和STD-A接头的翻转困扰,并且这些接头两端都相同,使得连接非常安全。其他的连接还支持更多的功能。

该新接头还包含USB3.1 SuperSpeed、其他VBUS和GND线路和USB功率传输功能。USB3.1 SuperSpeed第一代(5 Gbps)和第二代2 (10 Gbps)通过Type-C接头传输,无须更大的接头,与micro-B接头相比,提供相同的SuperSpeed性能,但尺寸却小很多。其他VBUS和GND线路(共4个)在任何设备中提供3A标准性能,规定在使用特殊数据线时最高提供5A电流。这些额外的线路在每个端口上最少提供15 W功率,这是旧标准的两倍。使用功率传输支持更高的功率(在电压提高到最高20 V时,功率高达100 W),以及通过备用模式支持设备间的专有信息通信。其他协议组已经基于此升级,并且通过备用模式创建标准信息传送,例如DisplayPort,可以重新分配数据线中SuperSpeed线路的任务,传输本地DisplayPort视频流量并使用SBU(边带使用)信号进行边带通信。为了充分利用备用模式实现专有解决方案,应该选择具有功率传输功能的可编程控制器。

Type-C使用新引脚检测连接和功率传输通信。该信令与USB2.0/3.1收发器并联,便于升级当前设计,以添加Type-C功能。Type-C连接检测与现有USB2.0收发器并联工作。更高级的固件可以根据所连接两个设备的功能确定USB电池充电V1.2(BC1.2)、Type-C和功率传输之间的充电水平。

尽管Type-C控制器功能将来可能集成到处理器中,但在过渡时期可以在现有设计中添加单独的控制器,与USB2.0收发器并联(如前所述)。设计人员可以仅选择Type-C或选择包括功率传输功能,根据设备需要而定。尽管在设备中集成Type-C接口非常棒,消费者实际上不会因为这而付出更多成本。因此,当设计人员向现有系统中添加Type-C时,通常选择尺寸较小、功率较低的东西非常重要,目的是尽可能少影响目前的尺寸、功率和成本。

在新接头的早期一个非常重要的考虑因素是灵活性。Type-C标准于2014年8月,并很快在2015年4月有了变化,随着更多产品上市,可能会发生更多变化,互通性问题随即产生。因此,好的设计决策是使用可升级的东西,从而允许将来标准变化。固件可编程解决方案允许修改信令和时间,并适应大多数标准变化。还可以现场升级固件变化,支持已售出的系统与新标准版本兼容。固件可以存在于具有内嵌微控制器或使用外部处理器/控制器的架构中。

为了实现最优解决方案,考虑到尺寸、功率和成本,最好在现有处理器或控制器中加入固件控制。很多产品目前已有处理器或控制器,使得Type-C设备中的内嵌微处理器变得多余,增加了电路板空间、额外功率和额外成本所占的系统成本。

允许可升级性的一种方式是允许对需要实现该标准的基本设备进行固件控制:拉低、拉高和比较器,以及提供方便的方式进行功率传输通信。标准的变化通常在时间和状态机控制上。如果在固件中实现时间和状态机,就能够很方便地通过系统固件更新改变它们。这样就允许轻松实现生产、甚至现场可编程更新中的变化,从而修改消费者已购买的设备。

Fairchild带功率传输功能的FUSB302 Type-C控制器就是这样一个器件范例,允许制造商产品快速上市,具有有限的尺寸、功率和成本。可以将大小仅为1.2 mm×1.26 mm的器件轻松添加到现有设计中,尤其是因为不需要考虑特殊布局,并且能够实现所有Type-C和功率传输功能,包括供应商定义消息和高达100 W的功率水平配置。FUSB302中没有集成微处理器,其功率非常低,实现连接检测的功率水平为25uA。这是移动设备的最常见状态,因为大多数移动设备不会有长期连接到USB接口的东西,并且需要较低的功率来延长电池寿命。FUSB302由外部处理器通过I2C接口控制。该器件控制对释放处理器负荷有严格时间要求的基本功能,但允许外部处理器实现控制,从而提供根据标准变化进行升级的灵活性并为希望实现特殊功能的设计人员提供灵活性。

这种解决方案的灵活性还允许跨越多个平台使用单个Type-C控制解决方案,只需修改固件特性来匹配不同平台类型的特性。这样可以节省设计时间和设备管理成本,并且由于较小的尺寸和较低的功率使得实现比较容易。

总之,新型Type-C接头提供很多新的具有吸引力的特性,设计人员能够通过向其现有和未来的设计中添加Type-C控制器快速利用这些特性。需要谨慎考虑,从而限制成本、功率和空间影响,同时保持根据标准变化升级的能力。据此,一个理想的解决方案是通过现有处理器如FUSB302实现完全可编程固件。

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