USB Type-C插座的解决方案

　　介绍USB-C
　　最初的USB 1.1标准规定最大电流为500毫安（mA）@ 5伏（2.5瓦），USB 2.0允许相同的最大值。这改变了USB 3.1规范，允许最大900 mA的电流。所有这些都是使用熟悉的矩形USB连接器。然而，随着USB无处不在，其连接器兼容性和功率传输能力方面的应用和需求也随之增加。
　　这些要求促成了USB Type-C™标准的发展。 USB-C不是数据传输规范，而是微型USB连接器的新标准。纵观其历史，USB一直受到连接器兼容性问题的困扰。插入标准矩形USB Type-A连接器一直受到Murphy定律的困扰：无论用户如何插入极化连接器，它都是颠倒的（图1）。即使以正确的方向插入，连接器也可能无法正确就位，导致连接器倒置并再次插入，并再次插入。
　　
　　图1：自USB 1.1以来，许多类型的USB连接器一直困扰着开发人员和用户。消费者计算机上最常见的连接器是USB Type-A连接器，用于USB 1.1，2.0，3.0和3.1。 （图片来源：维基百科）
　　鉴于极化的Type-A连接器的大尺寸，开发了较小的极化梯形微型和迷你连接器类型，以便更容易地集成在小型消费设备上。即使这些对于开发人员和用户也具有与A型相同的方向问题。
　　新的USB-C连接器（图1右下方）仅略大于Android智能手机和物联网（IoT）设备上的USB micro-B连接器。它取代了计算机（主机）和设备连接器，从而可以用单一类型替换多种电缆类型。此外，USB-C连接器没有键入，没有首选方向，无论连接器如何插入，都可实现稳固连接。

　　USB-C连接器引脚排列和功率级别
　　USB-C连接器支持USB 2.0和USB 3.1。当用于USB 3.1时，该标准要求它还支持向后兼容USB 2.0，这是新设计的推荐用途。但是，对于低数据速率设计，连接器也可以仅用于USB 2.0。
　　
　　图2：USB-C 24针插座连接器是非极化和可逆的，无论插入方式如何，都可以轻松连接插头。 （图片来源：STMicroelectronics）
　　查看USB-C连接器插座引脚排列，四个接地引脚（GND）布置在连接器的外部（图2）。这有助于提高抗噪性，并且还可以轻松连接到金属接地连接器外壳。标准USB 2.0双向数据引脚D +和D-在中心复制，对于所有USB-C数据传输应用都是必需的。 USB 3.1具有独立的高速发送和接收数据路径，接收引脚RX1 +和RX1-与RX2 +和RX2-倍增。 USB 3.1发送数据路径与TX1 +和TX1-相同，并且重复TX2 +和TX2-。
　　USB-C连接器标准还支持视频传输，包括DisplayPort和HDMI。该标准称为此备用模式，本文不会介绍。
　　在这种情况下，重要的是USB-C连接器标准规定在5伏特时最大电流输出高达3.0安培，功率高达15瓦。更进一步的是USB Power Delivery Standard v2.0，它规定支持USB 3.1的USB-C连接器可以提供高达100瓦的功率（20伏特，5安培）。该电源来自四个VBUS引脚。这使USB接口成为辅助电源，成为主电源。

　　实现USB-C连接器设计可能很棘手
　　在项目中支持高达100瓦的功率需要仔细的电路板布局程序，以确保用户和开发人员的安全。大多数项目都不需要获得那么大的权力;例如，非常高电流的智能手机充电器可能额定为3.0安培。然而，大多数商用USB-C连接器的常见最佳位置是VBUS和GND引脚之间的5.0安培。 Amphenol FCI的USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1直角USB-C连接器支持此功能（图3）。
　　
　　图3：Amphenol FCI 10137062-00021LF USB-C连接器是一种直角顶部安装的短体连接器，可以通孔安装或表面安装。 （图片来源：Amphenol FCI）
　　这个USB-C插座连接器最多可支持5安培，因此输出100瓦特需要20伏直流电。然而，对于大多数项目来说，25瓦（5伏特，5伏特）是足够和安全的。该USB-C连接器支持每秒5千兆位（Gbits / s）的USB 3.1 Gen 1数据速率，最大额定电压为100 V DC或AC，根据规格100瓦特，最大电压可达1安培最大功率。
　　该连接器支持表面贴装或通孔组装，位于印刷电路板的顶部。不锈钢连接器外壳比铝更坚固，并且电连接到GND引脚。
　　外壳必须使用四个狭窄的卡舌接地，这些卡舌滑入印刷电路板的插槽中，两个插在连接器的两侧。务必使用大量焊料将这些接头焊接到PC电源接地层，以确保牢固连接。

USB-C连接器信号路由
　　USB 3.1高速差分信号必须仔细布线，以便它们彼此相邻且长度完全相同。保持差分信号的走线尽可能短，以最大限度地降低EMI。为获得最佳抗噪性，请将差分信号放在印刷电路板的内层。如果在外部印刷电路板层上布线，则通过用接地走线包围差分对走线来隔离来自其他数据线的信号。此外，始终在实心接地层上布设差分信号，以最大限度地降低EMI。
　　设计印刷电路板，使差分走线阻抗为90欧姆±10％，以匹配USB电缆差分阻抗。另外，对每条迹线进行布线，使每对的单端阻抗相同。根据经验，在这种情况下，差分对的阻抗是其中一对阻抗的两倍。因此，应布线，使每个单端阻抗等于或接近45欧姆±10％。

如何安全地路由USB-C电源信号
　　布线功率信号更为关键。必须小心安全地采购5A，以防止意外短路到工程外壳或用户。 5A可以布线在印刷电路板的顶层或底层，但不应太靠近印刷电路板的边缘。这有助于防止因外壳震动或损坏而导致与项目外壳的意外连接。
　　为了在铜板上安装5个放大器，厚度为2盎司/平方英尺，需要44.6密耳的走线宽度。更安全的方法是通过在内部印刷电路板层上布置5A来隔离电流免受任何外部影响，这需要具有相同铜密度的116密耳的迹线宽度（基于IPC-2221轮廓的计算）。在VBUS连接器引脚附近布置尽可能多的铜，以防止电流损失。

垂直安装的USB-C连接器
　　如果印刷电路板空间非常宝贵，USB-C插座连接器可以垂直安装。为此，Amphenol FCI具有USB 3.1 10132328-10011LF垂直安装USB-C连接器。
　　
　　图4：Amphenol FCI的垂直安装USB-C连接器具有较小的印刷电路板占板面积，可用于节省电路板空间。 （图片来源：Amphenol FCI）
　　这款垂直USB-C连接器支持10 Gbits / s的USB 3.1 Gen 2数据标准。它还支持100瓦的功率输出，其最大额定电压为100伏直流或交流电，并且能够提供高达5安培的电流。它具有与直角连接器相同的不锈钢外壳结构。与直角连接器一样，确保外壳上的四个卡舌通过印刷电路板上的孔与大量焊料安全接地。
　　与直角插座不同，它只是表面安装在连接器的小端，使VBUS电源触点更靠近信号触点。必须仔细布置电源触点远离信号触点。考虑到狭窄的空间，最安全的方法是将数据对和VBUS电源触点放在不同的印刷电路板层上。
　　在为上述插座连接器供电时，USB主机和设备之间有一个简短的握手协议，决定了要使用多少电源。有些IC可以处理USB sink-to-source连接，使得这个过程对开发人员来说是透明的。
　　STMicroelectronics的STUSB1700 USB-C源控制器就是一个很好的例子。这可以安全地管理5伏USB-C主机到设备连接。在供电时，STUSB1700可以检测并防止电源短路，电流消耗超过设定的极限，过热高于145°C，欠压和过压条件，以及反向电流和反向电压条件。这极大地简化了USB-C系统的安全设计，同时降低了开发人员的复杂性。
　　
　　图5：该电路中的STUSB1700采用3安培电源，可独立工作。如果由带有I2C接口的可选微控制器管理，则必须添加上拉电阻R3至R10。 （图片来源：STMicroelectronics）
　　STUSB1700用于USB-C主机连接器，可以检测主机和设备之间的新连接。它可以确定设备的电源需求并提供必要的电流。它还确定设备是否是数字音频附件，因此它可以向微控制器发出信号，通过USB-C端口提供数字音频。它可以与USB设备协商，以确定电源是否需要USB默认值（最高900 mA），USB介质（最高1.5安培）或USB高电流（最高3.0安培）。

　　新的USB-C标准可以轻松安全地为合适设计的设备提供高达100瓦的功率。所有智能手机，数码相机，计算机和电子配件都标准化为一个易于使用的连接器，开发人员不必担心使用哪种尺寸和类型的连接器，这也是未来的设计。