USB Type-C?規范引入了通過USB提供可擴展電源傳輸的新選項，但規范錯綜復雜，開發人員面臨安全和布局問題。

本文將介紹USB Type-C（也稱為USB-C插座解決方案），并指導開發人員如何將這些USB-C插座連接器集成和布局為新設計，以便為外部設備安全地提供可擴展的USB電源。

USB-C簡介

最初的USB 1.1標準指定最大電流為500毫安（mA）@ 5伏（2.5瓦），USB2.0允許相同的最大值。這改變了USB3.1規范，允許最大900mA的電流。所有這些都是使用熟悉的矩形USB連接器。然而，隨著USB變得無處不在，其在連接器兼容性和功率傳輸能力方面的應用和需求也在不斷增加。

這些需求促成了USB Type-C?標準的發展。 USB-C不是數據傳輸規范，而是微型USB連接器的新標準。縱觀其歷史，USB一直受到連接器兼容性問題的困擾。插入標準矩形USB Type-A連接器一直受到Murphy定律的困擾：無論用戶如何插入極化連接器，它都是顛倒的（圖1）。即使以正確的方向插入，連接器也可能無法正確就位，導致連接器倒置并再次插入，并再次插入。

圖1：自USB1.1以來，許多類型的USB連接器一直困擾著開發人員和用戶。消費者計算機上最常見的連接器是USBType-A連接器，用于USB1.1,2.0,3.0和3.1。 （圖片來源：維基百科）

鑒于極化的Type-A連接器尺寸較大，較小的極化梯形微型和迷你連接器類型的開發便于在小型消費設備上集成。對于開發人員和用戶來說，即使這些問題與A型也存在相同的問題。

新的USB-C連接器（圖1右下方）僅略大于上面的USBmicro-B連接器。 Android智能手機和物聯網（IoT）設備。它取代了計算機（主機）和設備連接器，從而可以用單一類型替換多種電纜類型。此外，USB-C連接器沒有鍵控且沒有首選方向，無論連接器如何插入，都可以實現穩固的連接。

USB-C連接器引腳排列和功率水平

USB-C連接器支持USB2.0和USB3.1。當用于USB3.1時，該標準要求它還支持向后兼容USB2.0，這是新設計的推薦用途。但是，對于低數據速率設計，連接器也可以僅用于USB2.0。

圖2：USB-C 24針插座連接器是非極化和可逆的，無論插入方式如何，都可以輕松連接插頭。 （圖片來源：STMicroelectronics）

查看USB-C連接器插座引腳排列，四個接地引腳（GND）布置在連接器外部（圖2）。這有助于提高抗噪性，并且還可以輕松連接到金屬接地連接器外殼。標準USB2.0雙向數據引腳D +和D-在中心復制，對于所有USB-C數據傳輸應用是必需的。 USB3.1具有獨立的高速發送和接收數據路徑，接收引腳RX1 +和RX1-與RX2 +和RX2-一起加倍。 USB3.1發送數據路徑與TX1 +和TX1-相同，并且復制TX2 +和TX2 - 。

USB-C連接器標準還支持視頻傳輸，包括DisplayPort和HDMI。該標準稱之為備用模式，本文不會涉及。

在這種情況下，重要的是USB-C連接器標準規定最大電流可在5伏特下達到3.0安培，最高可達5伏特。 15瓦的力量。更進一步的是USB Power Delivery Standard v2.0，它規定支持USB3.1的USB-C連接器可以提供高達100瓦的功率（20伏特，5安培）。該電源來自四個VBUS引腳。這使USB接口成為輔助電源，成為主電源。

實施USB-C連接器設計可能會非常棘手

支持高達100瓦的功率項目需要仔細的板布局程序，以確保用戶和開發人員的安全。大多數項目都不需要獲得那么大的權力;例如，非常高電流的智能手機充電器可能額定為3.0安培。然而，大多數商用USB-C連接器的常見最佳位置是VBUS和GND引腳之間的5.0安培。這是由Amphenol FCI的USB3.1 10137062-00021LF Gen 1直角USB-C連接器支持的（圖3）。

圖3 ：Amphenol FCI 10137062-00021LF USB-C連接器是一種直角頂部安裝的短體連接器，可以通孔安裝或表面安裝。 （圖像來源：Amphenol FCI）

這個USB-C插座連接器最多支持5安培，因此要獲得100瓦的功率，需要20伏直流電。然而，對于大多數項目來說，25瓦（5伏特，5伏特）是足夠和安全的。該USB-C連接器支持每秒5千兆位（Gbits/s）的USB3.1 Gen 1數據速率，最大額定電壓為100伏特DC或AC，根據規格100瓦特，可提供最大1安培的電流。最大功率。

此連接器支持表面貼裝或通孔組裝，位于印刷電路板的頂部。不銹鋼連接器外殼比鋁更堅固，并且電氣連接到GND引腳。

外殼必須使用四個狹窄的接頭接地，這些接頭滑入印刷電路板的插槽中，每側兩個連接器。務必使用大量焊料將這些標簽焊接到PC電源接地層，以確保連接牢固。

USB-C連接器信號路由

USB3.1高速差分信號必須小心布線，使它們彼此相鄰且長度完全相同。保持差分信號的走線盡可能短，以最大限度地降低EMI。為獲得最佳抗噪性，請將差分信號放在印刷電路板的內層。如果在外部印刷電路板層上布線，則通過用接地走線包圍差分對走線來隔離來自其他數據線的信號。此外，始終在實心接地層上布設差分信號，以最大限度地降低EMI。

設計印刷電路板，使差分走線阻抗為90歐姆±10％，以匹配USB電纜差分阻抗。另外，對每條跡線進行布線，使每對的單端阻抗相同。根據經驗，在這種情況下，差分對的阻抗是其中一對阻抗的兩倍。因此，應布線，使每個單端阻抗接近或接近45歐姆±10％。

如何安全地路由USB-C電源信號

路由功率信號更為關鍵。必須小心安全地采購5安培，以防止意外短路到工程外殼或用戶。 5安培可以布線在印刷電路板的頂層或底層，但不應太靠近印刷電路板的邊緣。這將有助于防止由于外殼的沖擊或損壞而導致與項目外殼的意外連接。

要在銅板上安裝5個放大器，厚度為每平方英尺2盎司，需要跟蹤寬度為44.6密耳。更安全的方法是通過在內部印刷電路板層上布置5安培來隔離電流免受任何外部影響，這需要具有相同銅密度的116密耳的跡線寬度（基于IPC-2221輪廓的計算）。在VBUS連接器引腳附近布置盡可能多的銅，以防止電流損失。

垂直安裝的USB-C連接器

如果印刷電路板空間非常寶貴，USB-C插座連接器可以垂直安裝。為此，Amphenol FCI具有USB 3.1 10132328-10011LF垂直安裝USB-C連接器。

圖4：此垂直安裝USB-C連接器來自Amphenol FCI具有較小的印刷電路板尺寸，可用于節省電路板空間。 （圖像來源：Amphenol FCI）

這款垂直USB-C連接器支持10Gbits/s的USB3.1 Gen 2數據標準。它還支持100瓦的功率輸出，其最大額定電壓為100伏直流或交流電，并且能夠提供高達5安培的電流。它具有與直角連接器相同的不銹鋼外殼結構。與直角連接器一樣，確保外殼上的四個卡舌通過印刷電路板上的孔與大量焊料安全接地。

與直角插座不同，它只是表面安裝在連接器的小端，使VBUS電源觸點更靠近信號觸點。必須仔細布置電源觸點遠離信號觸點。考慮到狹窄的空間，最安全的方法是將數據對和VBUS電源觸點放置在不同的印刷電路板層上。

當為上述插座連接器供電時，USB之間有一個簡短的握手協議主機和設備決定要提供多少電量。有些IC可以處理USB接收器到源的連接，使得這個過程對開發人員來說是透明的。

STMicroelectronics的STUSB1700 USB-C源控制器就是一個很好的例子。這可以安全地管理5伏USB-C主機到設備連接。在供電時，STUSB1700可以檢測并防止電源短路，電流消耗超過設定的極限，過熱高于145°C，欠壓和過壓條件，以及反向電流和反向電壓條件。這極大地簡化了USB-C系統的安全設計，同時降低了開發人員的復雜性。

圖5：此電路中的STUSB1700采購3安培電源，可獨立運行。如果由帶有I 2 C接口的可選微控制器管理，則必須添加上拉電阻R3至R10。 （圖片來源：STMicroelectronics）

STUSB1700用于USB-C主機連接器，可以檢測主機和設備之間的新連接。它可以確定設備的電源需求并提供必要的電流。它還確定設備是否是數字音頻附件，因此它可以向微控制器發出信號，通過USB-C端口提供數字音頻。它可以與USB設備協商確定電源是否需要USB默認值（最高900mA），USB介質（最高1.5安培）或USB高電流（最高3.0安培）。

結論

新的USB-C標準可以輕松安全地為合適設計的設備提供高達100瓦的功率。隨著所有智能手機，數碼相機，計算機和電子配件標準化在一個易于使用的連接器上，開發人員不必擔心使用哪種尺寸和類型的連接器，這也是未來的設計。