最新的USB連接器/電纜、功率傳輸 (PD) 和協議規范（分別為USB Type-C、USB PD 3.0和USB 3.2）進一步提高了連接器的易用性、USB的數據吞吐量和功率傳輸能力。然而，那些渴望使用新規范的設計人員卻發現自身面臨著諸多實施挑戰。尤其是新規范支持高電壓和大電流，可能會導致不兼容外設損壞，造成電纜、連接器和端口過熱。

尚不熟悉USB Type-C和USB PD的開發人員，必須設法在具有適當軟件接口的受控環境中試驗這些新技術。USB芯片供應商已經對此作出回應，推出了配備軟件和電路板的評估套件 (EK)，其中包括電源、用于連接PC的USB接口以及最新一代的USB芯片。借助這些EK，開發人員可以利用帶用戶友好界面的成熟設計來獲取USB Type-C和USB PD的配置經驗。此外，這些EK也可用作開發人員原型開發的參考設計。

本文將概述最新USB Type-C規范的關鍵屬性，并闡示一些實施難題。另外，還將介紹ON Semiconductor、STMicroelectronics和Texas Instruments推出的套件，并展示如何使用這些套件來安全探索USB新技術的功能。作為評估套件和評估板基礎的集成組件可用于新產品設計，從而提高性能，節省空間并減少元器件數量。

為何要升級為最新USB規范

將產品升級為最新USB規范的主要原因包括：

便利性更高：USB Type-C基于緊湊型可逆插頭連接器，更適合現代消費類電子產品的外形尺寸，讓消費者使用更便利。

吞吐量更大：USB 3.2（于2017年推出，現已統合所有先前的USB 3.x規范）數據速率高達20Gb/s。

功率更大：USB PD 3.0提供功率高達100W (5A x20V)，可為平板電腦和便攜式計算機快速充電。

USB Type-C連接器對于USB 3.2第2x2代規范必不可少，今后該標準的新版本將只兼容這類連接器（而不兼容Type-A和Type-B連接器）。該規范定義了24針連接器，即四個+5V接地引腳、兩對用于USB 2.0數據總線差分信號、四對用于SuperSpeed數據總線、兩個“輔助”引腳、用于有源電纜的 VCONN+5V電源，以及用于電纜方向檢測和連接管理的通道配置 (CC) 引腳。請注意，在特定應用中引腳使用有所不同，具體取決于所采用的通信協議和功率傳輸要求（圖1）。

圖1：USB Type-C 24針連接器可反轉使用，CC引腳用于電纜方向檢測和連接管理。（圖片來源：Texas Instruments）

“全功能”USB Type-C連接器和電纜支持最快的USB數據速率。例如，使用USB Type-C時，設計人員可以選擇USB 3.2第1代 (SuperSpeed 5 Gb/s)、USB 3.2第2代(SuperSpeed 10 Gb/s) 或USB 3.2第2x2代 (SuperSpeed 20Gb/s) 協議。請注意，若使用“非全功能”USB Type-C連接器和電纜組合，則不適用于最新規范支持的功能。下文只探討使用全功能USB Type-C硬件的設計。

借助USB Type-C，設計人員還能充分利用USB PD 2.0/3.0供電協議允許的USB PD最高電壓和最大電流。自USB PD 2.0起，規范定義了5V、9V、15V和20V四個電壓電平。此外，電源最大輸出功率還支持0.5W至100W之間的任意值，而非USB PD 1.0標準的六個固定功率水平。功率超過15W的電源電壓為5V和9V，超過27W為5V、9V和15V，超過45W為5V、9V、15V和20V。各種電壓和電流組合稱作“功率分布”。

盡管功率水平靈活配置具有諸多優勢，但該技術支持的高電壓和大電流卻增大了實施復雜性，并帶來若干奇特的設計挑戰。例如，USB PD需要新增端口控制器，以協調和實施USB PD功率發布。短時間內，慣用USB Type-A的設計人員可能無法適應這些差異，因而導致設計決策不合適或具潛在破壞性的風險增大。

例如，帶USB PD的USB Type-C系統可通過USB A轉C電纜連接至 USB Type-A 端口；USB Type-A端口的VBUS保持在5V左右，而帶USB PD的USB Type-C端口可在5A下提供高達20V電壓。因此，電流將從VBUS電壓較高的端口流向另一端口，但是許多USB Type-A端口功率開關不具備反向電流保護，因而可能會因高電壓而損壞。（有關USB Type-C和USB PD設計的更多信息，請參見Digi-Key文章“USB Type-C 設計和使用功率傳輸進行快速充電”）。

USB Type-C復雜性管理

USB Type-C和USB PD可通過可配置的電纜、接口和功率設置實現多功能性。USB Type-C連接器使用CC引腳進行電氣檢測和連接配置。USB Type-C端口可以作為僅主機、僅設備（以傳統USB主機和設備運行）或雙角色端口 (DRP)；主機是下行端口 (DFP)，設備是上行端口 (UFP)。

USB Type-C的其他優勢包括：

雙角色端口可重新配置。例如，便攜式計算機通過顯示器充電時可作為UFP，而為微型風扇供電時可作為DFP。

可根據需要配置VCONN，以確定VBUS使用USB Type-C標準電源或USB PD。

支持可選的備用和配件模式。

使用端口控制器與PD控制器配合協調電源要求和方向，例如不會用智能手機等電池容量不大的設備為便攜式計算機等大功率設備供電。端口控制器通常包括嵌入式微控制器，因而無需外部設備來監控電力交易。

為了有效管理復雜性并確保設計成功，USB芯片供應商推出評估套件，為設計人員提供經優化的受保護電路進行試驗，評估配置以選擇最適合應用的USB Type-C和USB PD。例如，ON Semiconductor的STR-USBC-4PORT-200W-EVK是一款200W、四端口USB Type-C EK。該套件具有多個輸出電壓，分別為5V、9V、15V和20V，最大電流為5A，每個端口的最大輸出功率為100W，開發人員可藉此探索USB PD 3.0的功能。由于受電源限制，該EK四個端口的最大總輸出功率為200W。

STR-USBC-4PORT-200w-EVK包括USB PD端口控制器、高壓保護開關和降壓電源控制器。此外，該套件還配備了AC/DC電源，輸入電壓為90V - 265V，內置過流和熱保護。該EK隨附ON Semiconductor的Strata 軟件，其中包括配置工具，可用于功率分布測試、各種故障和折返功能試驗、系統遙測監控，并為連接的設備提供可變充電負載（圖2）。

圖2：ON Semiconductor的USBType-C EK包括200W AC/DC前端和四端口USBPD輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）

該EK的端口控制器采用ON Semiconductor的FUSB307B，旨在實現帶USB PD功能的USB Type-C端口控制器 (TCPC)。作為TCPC，該芯片符合USB PD接口規范，具有用于USB Type-C端口管理器(TCPM) 的標準化接口，并集成用于手動連接/斷開檢測的USB Type-C檢測電路。該芯片可自動處理時間關鍵型PD功能，而無需使用系統微控制器或TCPM。

就這方面而言，STMicroelectronics推出了STEVAL-ISC004V1 USB PD EK。該EK是一款即用型USB PD源，基于該公司的STUSB4710A USB PD控制器，演示了如何將固定電壓的直流電源輸入轉換為USB PD可變電壓輸出。USB PD控制器通過USB Type-C的CC引腳進行通信，以協調傳輸至連接設備的給定功率，無需微控制器支持即可處理與DFP或UFP的連接。

此外，Texas Instruments (TI) 還推出了USB-CTM-MINIDK-EVM，一款USB Type-C塢站接口EK（圖3）。該EK是一款USB Type-C塢站參考解決方案，包括USB PD、音頻、USB數據、電源和視頻；通過USB Type-C PD主端口支持拉出和灌入電流功能。由外部USB Type-C充電器供電時，塢站可在3A下提供5V電壓，在5A下提供12V至20V電壓。

該EK包括：

TUSB8041：四端口USB 3.0集線器控制器，通過DFP和UFP均可提供SuperSpeedUSB連接。

TUSB321：TCPC用于檢測端口連接/斷開、電纜方向和角色。該芯片可配置為 DFP、UFP或DRP。

TPS65982：USB Type-C 控制器用于 USB PD 協調和啟用電源路徑。

ON Semiconductor、TI和STMicroelectronics的EK可協助工程師完成帶USB PD的USB Type-C設計設置和配置。

使用ON Semiconductor的EK開發需借助該公司的Strata Developer Studio。首先，開發人員需向EK施加交流電壓，使用USB Mini-B電纜將其連接至 PC，登錄并允許PC檢測EK，下載相關內容。

開發人員可對系統進行基本設置，包括最大系統功率（從30W至200W），該設置可確保四個端口的總PD“合同”不超過交流電源的總功率，以及“保證功率”設置，即端口1始終按分配輸出功率，而其他端口共享剩余功率。此外，還提供故障保護設置，可用于確定指示故障狀態的溫度閾值。

然后，開發人員就可以著手測試各種端口設置，包括：

端口最大功率：設置后所有合同均不得超出該限值

限流：0至6A

電纜補償：拉電流較高時，減少灌入設備的電壓降

功率分布廣播：插入設備后，將顯示提供給灌入設備的功率分布列表

再者，開發人員可以訪問瀏覽器，其中詳細列出USB端口的總輸入電壓和功率，以及各個端口的功率分布 (V)、PD合同 (W)、輸出電壓和功率、溫度和能效等相關性能信息。該EK可連接示波器以顯示VBUS轉換等詳細性能信息（圖4）。

圖4：ON Semiconductor的USB Type-C EK可連接示波器以詳細分析該芯片的工作特性。（圖片來源：ON Semiconductor）

STMicroelectronics EK的工作方式與ON Semiconductor EK類似。連接22V（最小值）直流電源和帶USB Type-C 連接器的外設后，通過I2C接口，即可從非易失性存儲器將該EK的板載USB PD控制器設置讀取至PC。然后，開發人員通過PC接口重新配置最多五個PD電壓和電流輸出、峰值電流、欠壓和過壓鎖定。在PC上完成設置后，可將配置編程導入USB PD控制器的存儲器，用于為連接的外設供電。

TI的EK則需要與該公司的USB Type-C使能板配合使用。使用USB Type-A轉USB Type-B電纜和DisplayPort電纜，將使能板連接至PC，再使用USB Type-C電纜將EK連接至USB Type-C使能板。然后，開發人員就可直接在PC上測試USB 3.0集線器、TCPC和USB Type-C控制器的配置。

總結

USB Type-C和USB PD為消費者帶來便利，提高了吞吐量和功率傳輸能力，可為連接的外設供電，也可為其電池充電。不過，該技術也相應增大了復雜性，給慣用USB Type-A系統的開發人員帶來相當艱巨的實施挑戰。

如上所述，尚不熟悉USB Type-C和USB PD的開發人員，現可利用主要USB芯片供應商推出的評估套件，通過用戶友好界面以受控方式進行技術試驗。此外，這些EK也可用作開發人員原型開發的參考設計。

責任編輯：lq6