USB Type-C：您需要了解的有关在设备中提供高速串行连接的所有信息

半导体

USB Type-C不仅比其前代产品更快，能够提供更多功率，还对这种无处不在的连接标准做出了一些明显的改变。首先，有一个新的可逆连接器，它没有键入，因此可以插入端口。其次，USB Type-C将看到电缆两端使用的相同连接器。

对于使用USB Type-C的用户，这意味着更大的便利性和灵活性。但对于我们这些参与构建将采用这种新标准的设备的人来说，它增加了一定程度的复杂性：我们用来连接设备的电缆和它们插入的端口不再仅仅是愚蠢的机电连接。相反，我们需要建立一定程度的智能来促进新功能。

在本文中，我们将解释您需要了解的有关USB Type-C的所有信息：新功能，新功能，工作原理以及支持它的半导体套件。要完全理解它，我们首先要看看USB的前几次迭代以及Type-C如何在这些迭代上构建。因此，请回到20世纪90年代中期，我们开始了解USB及其速度，电缆和连接器的发展历程。

要完全理解它，我们首先要看看USB的前几次迭代以及Type-C如何在这些迭代上构建。因此，请回到20世纪90年代中期，我们开始了解USB及其速度，电缆和连接器的发展历程。

回顾：USB的历史

通用串行总线为USB提供了全名，已有近20年的历史，现在已经出现在各种电子设备中，从我们的电脑到汽车。虽然有一个USB版本1.0，但它是1.1，大规模采用计算机设备连接。USB 1.x提供低速（1.5Mbps）和全速（12Mbps）数据速率，用于从键盘，鼠标和操纵杆等输入设备到外部驱动器，扫描仪和打印机的所有设备。USB 1.x电缆在主机端具有公认的A型连接器，而B型插头连接到外围设备。具有不同插头的原因是为了确保仅能够从主机向设备馈送电力，从而防止如果两台计算机彼此直接连接可能发生的电损坏。

USB 2.0于2000年问世，带来了显着的速度提升，提供480Mbps的数据速率，以满足更高速设备的需求。我们还看到了一系列新的连接器，主要是由于当时上市的设备尺寸缩小，例如数码相机和手机。Mini-B插头之后是更小的Micro-A和Micro-B连接器，这使得USB可以内置到更新的智能手机和平板电脑中，因为它们越来越薄。值得注意的是，较新的Mini和Micro连接器支持USB On-The-Go（OTG），带有Mini和Micro-AB插座。OTG使某些USB设备可用作主机和外围设备。一个例子是智能手机，它可以作为计算机的外部存储设备，但也可以播放主机从另一个存储设备中提取数据，

由于其5Gbps的数据速率，2008年推出了称为SuperSpeed（或SS）的USB 3.0。由于USB 3.0规范包含在USB 3.1（2013）中，SuperSpeed / 5Gbps现在通常被称为USB 3.1 Gen 1. USB 3.1标准还引入了10Gbps速度，当时作为SuperSpeed +或USB 3.1 Gen 2销售。随着增强的速度，USB 3看到了另一个新连接器的出现：Micro-B SuperSpeed。由于各种插座和插头排列，它仍然向后兼容USB 1和USB 2的低速。

图1. USB的时间线，直到2014年推出USB Type-C。
（由SlideShare撰稿人Rainny Tu提供）

除了速度的显着提高之外，USB标准的每次迭代都提高了它可以提供的功率。USB最初从主机（或另一个所谓的“上游”设备）向连接的“下游”设备提供标称5V的总线功率（VBUS）。低功耗下游器件的额定电流为100mA（0.5W），大功率器件的功率为2.5W。SuperSpeed器件的额定功率为0.75W（低功耗）和4.5W（高功率）。USB还可用于为电池充电，通过充电器提供高达25W的功率，带有专用充电端口（DCP）的主机设备或充电下游端口（CDP），后者还提供数据信号。USB电源的下一个发展是2012年USB供电（PD）规范。这使兼容的下游设备能够从兼容的主机设备请求更高的电源电压和电流。

USB Type-C与其前代产品有何不同

由于USB已经存在了这么长时间，那些开发USB Type-C的人在接受以前所有规格的遗产时面临着巨大的挑战。USB Type-C的最终规格出现在USB 3.1之后仅一年，但是有很多变化，尤其是新的可逆插头。就像Apple目前在iPhone和iPad中使用的Lightning连接器一样，您不必考虑插入USB Type-C插头的方式，这使得它比它的前辈更方便。但是，为了实现这一点，系统需要额外的智能水平才能正确地路由电源和数据信号。与Lightning不同，USB Type-C不需要将这种智能内置到电缆本身。相反，它允许有源和无源电缆。

USB Type-C看到连接器引脚数量大幅增加。类似尺寸的Micro-USB插头仅包含五个引脚，USB Type-C拥有24个。这使其能够以任何方式插入，并为未来的性能增强和新功能提供扩展空间。

USB Type-C中的新操作模式（例如备用模式和附件模式）构成了USB定义的新创新方法。

此外，在电缆两端使用相同的连接器意味着USB Type-C必须能够正确识别主机和外围设备，以确保整个总线按预期工作。由于需要支持可以执行任一角色的设备，因此这很复杂。

图2.如何在USB Type-C连接器中分配引脚的图表
（由OFweek.com提供）

USB Type-C还可以看到总线可以提供的功率水平的阶跃变化。在SuperSpeed最大功率为4.5W的情况下，Type-C可以通过VBUS连接高达15W（通过1.5A的电流和5V的3A）。USB Type-C支持Power Delivery 2.0规范，可以使用电子标记的有源Type-C电缆，也可以通过Biphase Mark Code（BMC）编码配置线。通过未使用的CC引脚（CC1或CC2）还有一个额外的电源为外部设备，有源电缆或带电子标记的电缆供电。

使USB Type-C工作

USB Type-C需要大量电路选项才能支持其无数的功能模型。下面示出了一个这样的示例，其中设备通过全功能电缆连接到主机。通过CC线确定的电缆的端到端方向，您需要在两端的端口中支持逻辑，以识别它是否被翻转或未折叠，以及电缆是直的还是扭曲的。因此，有四种潜在的数据路径：

直接未折叠：将TX1和RX1托管到器件TX1，将RX1托管到CC1到CC1
Twisted unflipped：将TX1和RX1托管到设备TX2，将RX2托管到CC1到CC2
直接翻转：将TX2和RX2主机连接到设备TX2，将RX2主机连接到CC2到CC2
扭曲翻转：将TX2和RX2主机连接到器件TX1，将RX1主机连接到CC2到CC1

图3.使用全功能电缆的USB Type-C实现的功能模型。CC线确定方向。（礼貌USB实施者论坛2015）

当连接引线时，选定的信号驱动器，接收器和开关/多路复用器将开始运行，但是对于完整的USB Type-C实现，您需要所有这些都存在。令人高兴的是，您仍然可以使用最初为USB Type-C中的USB 3.1创建的许多多路复用器，接收器和驱动程序。请注意，您可能会在主机端口和设备端口中看到更多电路，例如驱动显示器所需的电路。

Diodes Incorporated最近收购了Pericom半导体公司，现在提供广泛的元件和集成电路选择，使您能够通过USB Type-C连接器连接计算机，移动设备和其他设备。Diodes在超高速（10Gbps +）信号切换和调节方面的开创性工作为创建USB 3.1 Gen 1和USB 3.1 Gen 2兼容设备奠定了基础。

下面，我们将简要介绍三种用例，如图所示。

笔记本电脑，平板电脑和PC

在此示例中，位于USB Type-C连接器和主机设备的I / O集线器之间的是Type-C纵横开关（PI3USB31532），可通过USB类型切换USB 3.1 Gen 1，Gen 2和DisplayPort 1.2和1.3 -C连接器。在USB端，然后将其链接到PI3EQX1002B ReDriver，它可以优化各种物理介质的性能，这要归功于它能够减少符号间干扰。

二极管组件为主机和设备提供各种充电和控制解决方案，包括过温和过压保护以及通过C型插头高达100W的充电能力。

在本例中，请注意PI5USB2546A主机侧充电控制器及其内置高速数据线（D +和D-）。这有助于睡眠模式充电，并使您可以通过键盘或鼠标唤醒设备。对于设备方面，有一个PI3USB9281C，可以对不同类型的充电器或OTG附件进行外部检测。该部分包括过流和过压保护。

图4. USB Type-C的笔记本电脑，平板电脑或PC实现示例。

手机

在智能手机中，我们使用PI5USB30213A交换机将Type-C端口与主芯片组连接起来。该组件使设备能够用作主机，外设和双角色模式。根据CC引脚上检测到的电压，配置是自动的。

图5.智能手机中USB Type-C的实现。

对接站

最后一个示例是通用扩展坞，通过单个USB Type-C引线连接到上游主机。它带有USB 3和DisplayPort信号，以及主机电源。在底座的USB侧，有一个 PI3USB31532 Type-C纵横开关，PI3EQX1002B ReDriver和一个USB 3集线器。为了使扩展坞能够通过VBUS为主机供电，还有一个电源开关。

图6. USB Type-C通用扩展坞，也为主机设备供电。

结论

随着Type-C的曙光，USB无处不在的计算连接标准获得了新生。凭借其较小的可逆连接器，高数据速率和总线功率，Type-C的创造者将希望它能够显着延长USB已经很长的20年寿命。但是，与多年来逐步发展的任何技术标准一样，在向后兼容性方面存在许多挑战。通过将智能结合到物理端口并包括使用有源电缆，USB Type-C克服了这些障碍。

但是为了处理各种主机和外围设备功能，那些构建USB Type-C的实现仍然需要高性能和低成本的集成电路（IC）和其他组件，例如Diodes的Pericom产品提供的那些组件。

Kay Annamalai

Kay Annamalai先生拥有30年的半导体行业经验，最近在2005年担任Pericom半导体公司（现为Diodes公司的一部分），担任营销高级总监，专注于高速信号完整性产品，专注于USB Type-C产品，包括高速接收器/驱动器和信号开关。在此之前，Annamalai先生曾与AMD，TriQuint，Raytheon和Flextronics等其他半导体公司担任关键技术，应用和营销职务。他拥有加州大学电气和计算机工程硕士学位。