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安森美半導體靈活、小巧、低功耗的 USB Type-C 方案加速系統設計

時間:2018-01-25 12:37來源:安森美 作者:安森美 點擊:
隨著技術的演進和人們對充電功率與資料傳輸速率的需求不斷提高,USB Type-C 應運而生。USB Type-C 是下一代 USB 連接器、埠和電纜的標準,支援雙向電源和正反逆插,提供更高的充電功率和更快的資料傳輸速率,為使用者帶來更佳的效能與更多的便利,也為設計人員和製造商提供簡潔性,並將越來越廣泛地運用於智慧手機、平板電腦、擴充基座(Docking Station)、轉接器(Adaptor)等終端設備。IHS預計2019年以USB Type-C為基礎的設備出貨量將超過20億,佔USB 總市場潛在範圍(Total Addressable Market;TAM)的40%。據 ABI Research 統計,到2020年時,約一半的智慧型手機和93% 的筆記型電腦將和 USB Type-C 互連。

針對最新的市場趨勢,安森美半導體為市場提供完整的 Type-C 與 USB-PD 解決方案,包含 USB Type-C 和 USB-PD 控制器、超高速開關、埠保護方案、轉接驅動器等。這些解決方案支援雙重用途埠(Dual Role Port;DRP)、下行資料流程埠 (DFP) 與上行資料流程埠(UFP),具備業界更低的功耗、更小的尺寸(小於 MCU 為基礎的解決方案達95%),提供更簡化和靈活的優勢。
 

圖1:安森美半導體的主要Type-C和PD產品

USB標準及連接器的演進
USB 的出現可遠追溯至 1996 年,當時推出的 USB 1.0 傳送速率為 1.5 Mbps 。隨後2000年推出的 USB 2.0 傳送速率提高至 480Mbps ,提供最大 2.5 W(0.5 A,5 V)的功率,隨後 USB 3.0 的資料傳輸速度提高到 5Gbps ,最大功率提高至 4.5 W(0.9 A,5 V)。而最新的第二代 USB 3.1 將資料傳輸速度提升至 10Gbps 。

USB Type-C是新型的連接器。USB標準的原始設計是USB Type A,為扁平的矩形。Type A埠大多用於主機設備,如桌上型、筆記型電腦、遊戲機和媒體播放器。USB micro B連接器則較小,主要用於週邊設備。現在產業標準正在朝 USB Type-C   發展,支援 USB 3.1 和 USB-PD ,提供單一連接器/電纜,免除多個電纜和連接器造成的麻煩。USB Type-C 埠最大功率可達15 W (3 A,5 V)。對於 USB 3.1 而言,若採用支援 USB-PD 的 Type-C 連接器,最高功率可達 100 W  (5 A,20 V)。
 

圖2:隨著技術的演進,功率快速增長

USB Type-C主要應用
在智慧型手機、平板電腦等應用中,USB Type-C主要作為充電介面和用於超高速資料的傳輸,作為充電介面使用時,支援USB-PD和快速充電,通常僅有一個插槽。安森美半導體針對此類應用的 Type-C 及 USB-PD 產品主要包含支援 PD(Power Delivery) 的可編程的 Type-C  控制器FUSB302B、符合USB 3.1 Gen-II的Type-C超高速開關FUSB340 、支援TCPC(Type-C Port Controller)的Type-C PD埠控制器FUSB307B、Type-C或USB2.0 D+/D-高速埠保護開關FSUSB242等。

當應用於電腦時,USB Type-C 能夠使用多個雙重用途埠(Dual Role Port; DRP)和用於超高速資料的傳輸,並用作寬範圍的電源輸入/輸出埠,安森美半導體針對電腦的 Type-C 產品主要包含 FUSB340 、FUSB307B、FUSB252等。

針對AC-DC轉接器(Adaptor),產業設計正帶動功率密度增加,需要支援可程式設計電源供應(Programmable Power Supply;PPS)。安森美半導體主要提供準共振(Quasi-Resonant )PWM 控制器 FAN604 和具有取樣率轉換(Sampling Rate Conversion; SRC)預設狀態的 100W USB Type-C  可程式設計的控制器 FUSB302BT。

如何降低USB 3.x的插入損耗
在支援 USB 3.x 的 Type-C 環境中可實現超高速資料傳輸,在此環境下的大多數應用皆需要一個轉接驅動器來降低插入損耗,例如圖像感測器、車載娛樂系統、平板電腦、遊戲系統、手機、虛擬實境(VR)設備、主動式纜線(Active Cable)、印表機/掃描器、HD顯示器、基座/集線器等。

電纜插入損耗可能會因不同的供應商、電纜衡量規則、類型而有所不同,而介面對於電纜損耗效能具有相當大的影響。FR4 材料損耗因為線長、所採用的介質和佈線(Cabling System)而有所不同。但電纜和 FR4 的損耗都取決於採用的資料速率。例如,9英寸 FR4 以 5 Gbps 傳輸時約有 3.9 db  損耗,但以10 Gbps傳輸時有  6.9 db 損耗。如果用 24 英寸 FR4 以 5 Gbps 傳輸時的損耗從 3.9 d b增至 9.6 db,以 10 Gbp s傳輸時的損耗從6.9 db增至16.8 db。由此可見,其中增加的插入損耗,需要轉接驅動器。

第1代與第2代 USB 3.1  能提供更高的資料速率,但會帶來在USB主動式纜線(Active Cable)設計中減輕訊號完整性損失的挑戰。主動式纜線(Active Cable)的長度和效能將推動對轉接驅動器和高品質互相連結的需求,必須具備辨別速度能力,而尺寸和低功耗是關鍵。

效能出色的轉接驅動器可減少符號間的干擾(Intersymbol interference;ISI),避免因不想要的訊號失真而影響傳輸,並且有助於符合USB3.x  眼圖(EYE Pattern)高度和總抖動規範。

安森美半導體的單通道(single-channel)轉接驅動器如 NB7NPQ701M、NB7VPQ701M 和雙通道(dual-channel)轉接驅動器 NB7NPQ702M、NB7VPQ702M 支援 USB 3.1 應用,同時支援第一代 USB 3.1 (5Gbps) 和第二代 USB 3.1 (10Gbps)資料率,擴展的訊號距離達 36 英寸 FR4  或  5m 電纜@ 5Gbps、達10英寸FR4 @ 10Gbps。其單通道轉接驅動器與同類元件相比,眼高(Eye Height)增加20%,抖動降低20%。

10Gbps USB3.1超高速開關
FUSB340 作為 10Gbps USB3.1 的超高速開關,典型的頻寬達10 GHz,具有1.5 V至5 V的寬電壓(VDD)範圍,提供2KV 人體模式(Human Body Mode; HBM)靜電(Electrostatic Discharge; ESD)保護,符合Jedec(Joint Electron Device Engineering Council)標準,主動式功率(Active Power)低於12 uA,關斷功耗低於 1 uA,在 2.5GHz 時的插入損耗僅-1 dB,採用18電源引腳(Pin)的TMLP小型封裝(2.0mm x 2.8mm x 0.4mm),適用於手機、平板電腦、筆記型電腦、便於攜帶應用所需的可正反逆插的Type-C USB 3.1連接器的小型獨立方案。

與其他競爭的解決方案相比,FUSB340 具有更寬的電源電壓範圍、更快的資料速率、更高的頻寬、低插入損耗、更低的插入損耗差(-28 dB)、更低的串音干擾(crosstalk)差 (-44 dB)、更低的電流 (ICC)關斷值(1 uA)和ICC有源值(0.03 mA)、更少電源引腳(Pin)數、更小封裝(比競爭方案至少小40%)和更薄高度。

USB 3.1 Type C連接器保護解決方案
針對保護解決方案,安森美半導體採用兩個 ESD8704 元件保護超高速線路,8個 ESD7471 保護低速和輔助線路。ESD8704 具有超低電容(Capacitance)、低靜電(ESD)鉗位(Clamping)元電壓,接觸及空氣放電± 30 kV,滿足 IEC61000-4-2 Level 4,採用2.5 x 1.0mm µDFN 封裝。而 ESD7471 提供雙向瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor),接觸及空氣放電± 20 kV,滿足IEC61000-4-2 Level 4,具備1.0 x 0.6 mm2的小外形。
 
總結
安森美半導體提供靈活且易於整合的USB Type-C 和 USB-PD 控制器方案支援最新的 USB Type-C 標準,易於設置和配置,支援韌體(Firmware)/提供驅動器用於通用嵌入式控制平台(Embedded Control Platform),功耗僅為競爭解決方案的1/20,尺寸減少達95%,並針對 USB3.x 的超高速應用,提供轉接驅動器、超高速開關和保護方案等全系列方案,對於 USB3.x 設計人員而言是一大福音,此外,透過安森美半導體的 USB 解決方案網頁,用戶能輕鬆獲得關鍵應用的最佳化方案,加速他們的系統設計。
 
(責任編輯:helen)
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