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USBType-C插座解決方案介紹

h1654155282.3538 ? 來源:陳翠 ? 作者:電路城 ? 2019-09-29 10:19 ? 次閱讀
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USBType-C?規(guī)范引入了通過USB提供可擴(kuò)展電力傳輸?shù)男逻x擇,但該規(guī)范錯綜復(fù)雜,開發(fā)人員面臨著安全和布局問題。

本文將介紹USBType-C(也稱為USBType-C)插座解決方案,并指導(dǎo)開發(fā)人員如何在新設(shè)計中集成和布設(shè)這些USBType-C插座連接器,以便為外部設(shè)備安全地提供可擴(kuò)展USB電源

USBType-C簡介

最初的USB1.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大電流為500毫安(mA)@5V(2.5W),USB2.0允許的最大電流相同。而USB3.1規(guī)范有所改變,其允許最大900mA的電流。所有這些標(biāo)準(zhǔn)都使用常見的矩形USB連接器。但是,隨著USB變得無處不在,其應(yīng)用及相關(guān)需求在連接器兼容性和電力傳輸能力方面也隨之增加。

這些需求促成了USBType-C?標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。USBType-C不是數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范,而是一種新的微型USB連接器標(biāo)準(zhǔn)。縱觀其歷史,USB一直受到連接器兼容性問題的困擾。只要插入標(biāo)準(zhǔn)矩形USBType-A連接器,必定會受到墨菲定律的困擾:無論用戶如何插入該極化連接器,總是插反(圖1)。即使以正確的方向插入,該連接器也可能無法正確就位,導(dǎo)致需要不斷地顛倒連接器并重新插入。

鑒于極化Type-A連接器的大尺寸,為了更容易地集成在小型消費類設(shè)備上,開發(fā)人員開發(fā)了尺寸較小的極化連接器類型:梯形的微型和迷你型連接器。即使是這些連接器,對于開發(fā)人員和用戶來說也有與Type-A相同的方向問題。

新型USBType-C連接器(圖1右下方)僅略大于Android智能手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)IoT)設(shè)備上的USBmicro-B連接器。它同時取代了計算機(jī)(主機(jī))和設(shè)備連接器,從而只需一條線就可以連接各種設(shè)備。此外,USBType-C連接器沒有鎖扣且沒有首選方向,無論如何插入,都可實現(xiàn)穩(wěn)固連接。

USBType-C連接器引腳排列和功率級

USBType-C連接器支持USB2.0和USB3.1。當(dāng)用于USB3.1時,標(biāo)準(zhǔn)要求其同時支持向后兼容USB2.0,并且在新設(shè)計中推薦使用這種方式。但是,對于低數(shù)據(jù)速率設(shè)計,該連接器也可僅用于USB2.0。

觀察USBType-C連接器插座的引腳排列,四個接地引腳(GND)布置在連接器的外側(cè)(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。中間是兩對標(biāo)準(zhǔn)USB2.0雙向數(shù)據(jù)引腳D+和D-,它們對于所有USBType-C數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用都是必需的。USB3.1具有獨立的高速數(shù)據(jù)發(fā)送和接收路徑,接收引腳RX1+和RX1與RX2+和RX2-相對排在兩側(cè)。USB3.1發(fā)送數(shù)據(jù)路徑同樣是TX1+和TX1-與相對的TX2+和TX2-。

USBType-C連接器標(biāo)準(zhǔn)還支持視頻傳輸,包括DisplayPort和HDMI。該標(biāo)準(zhǔn)稱之為交替模式,本文不做介紹。

在這種背景下,重要的是USBType-C連接器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大傳輸電流高達(dá)5V下3.0A,功率高達(dá)15W。USB電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)v2.0更進(jìn)一步,它規(guī)定支持USB3.1的USBType-C連接器可以提供高達(dá)100W的功率(20V,5A)。該功率由四個VBUS引腳輸出。這使USB接口從輔助電源成為主電源。

實施USBType-C連接器設(shè)計可能會非常棘手

若要在項目中支持高達(dá)100W的功率,需要謹(jǐn)慎執(zhí)行電路板布局步驟,確保用戶和開發(fā)人員的安全。大多數(shù)項目都不需要如此高的功率;例如,對于電流非常高的智能手機(jī)充電器,其額定電流可能為3.0A。但是,多數(shù)商用USBType-C連接器的常見最佳設(shè)計是VBUS和GND引腳之間為5.0A。AmphenolFCI的USB3.110137062-00021LFGen1直角型USBType-C連接器支持這種設(shè)計(圖3)。

該USBType-C插座連接器可支持最大5A的電流,因此,100W的輸出將需要20VDC。但是,對于大多數(shù)項目而言,25W(5V,5A)就足夠并且還安全。該USBType-C連接器支持每秒5千兆比特(Gbit/s)的USB3.1Gen1數(shù)據(jù)速率,最大額定電壓為100VDC或AC,根據(jù)100W最大功率規(guī)格,可提供最大1A的電流。

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

外殼必須使用四個窄卡舌接地,而卡舌會滑入印刷電路板的插槽內(nèi),連接器每側(cè)各兩個。務(wù)必使用大量焊料將這些卡舌焊接到電路板電源接地層,以確保牢固連接。

USBType-C連接器信號布線

USB3.1高速差分信號必須仔細(xì)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,請將差分信號置于印刷電路板的內(nèi)層。如果在印刷電路板外層上布線,則用接地走線包圍差分對走線來隔離來自其他數(shù)據(jù)線的信號。此外,務(wù)必在實心接地面上布設(shè)差分信號,以最大限度地降低EMI。

設(shè)計印刷電路板時,需使差分走線阻抗為90歐姆±10%,以匹配USB電纜差分阻抗。另外,每條走線的布設(shè)方式要使每對的單端阻抗相同。一般說來,在這種情況下,差分對的阻抗是其中一對阻抗的兩倍。因此,布設(shè)走線時應(yīng)使每個單端阻抗等于或接近45歐姆±10%。

如何安全地布設(shè)USBType-C功率信號

布設(shè)功率信號更為關(guān)鍵。為防止與項目外殼或用戶發(fā)生意外短路,必須小心謹(jǐn)慎,確保安全地輸出5A電流。該電流可以布設(shè)在印刷電路板的頂層或底層,但不應(yīng)太靠近印刷電路板的邊緣。這樣有助于防止由于項目外殼受沖擊或損壞而導(dǎo)致與外殼意外連接。

要通過厚度為每平方英尺2盎司的銅覆層在印刷電路板上提供5A的電流,需要44.6密耳的走線寬度。更安全的方法是通過在印刷電路板內(nèi)層布設(shè)5A電流,以隔離電流免受任何外部干擾,這需要在相同銅密度下使用116密耳的走線寬度(基于IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)計算)。在VBUS連接器引腳附近的覆銅應(yīng)盡可能多,以防止電流損失。

垂直安裝USBType-C連接器

如果印刷電路板空間非常寶貴,可以垂直安裝USBType-C插座連接器。為此,AmphenolFCI提供了USB3.110132328-10011LF垂直安裝USBType-C連接器。

這款垂直USBType-C連接器支持10Gbit/s的USB3.1Gen2數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。它還支持100W的電力輸出,其最大額定電壓為100VDC或AC,并且能夠提供高達(dá)5A的電流。該產(chǎn)品采用與直角型連接器相同的不銹鋼外殼構(gòu)造。如同直角型連接器,需使用大量焊料確保外殼上的四個卡舌通過印刷電路板上的孔實現(xiàn)安全接地。

與直角型插座不同的是,它只是表面貼裝在連接器的小端,使VBUS電源觸點更靠近信號觸點。其中必須謹(jǐn)慎布設(shè)電源觸點,使其遠(yuǎn)離信號觸點。若空間狹窄,最安全的方法是將數(shù)據(jù)對和VBUS電源觸點放置在不同的印刷電路板層上。

在為上述插座連接器供電時,USB主機(jī)和設(shè)備之間有一個簡短的握手協(xié)議,決定了提供多大的電源。IC可以處理USB灌入至拉出連接,使得這個過程對開發(fā)人員來說是透明的。

STMicroelectronics的STUSB1700USBType-C源控制器就是一個很好的例子。這可以安全地管理5VUSBType-C主機(jī)與設(shè)備的連接。在供電時,STUSB1700可以檢測并防止電源短路、電流消耗超過設(shè)置的限值、過熱高于145°C、欠壓和過壓狀況,以及反向電流和反向電壓狀況。這極大地簡化了USBType-C系統(tǒng)的安全設(shè)計,同時為開發(fā)人員降低了復(fù)雜性。

STUSB1700用于USBType-C主機(jī)連接器,可以檢測主機(jī)與設(shè)備之間的新連接。該產(chǎn)品可以確定設(shè)備的電源需求并提供必要的電流。此外,還可確定設(shè)備是否為數(shù)字音頻附件,以便可以向微控制器發(fā)出信號,通過USBType-C端口提供數(shù)字音頻。它可以與USB設(shè)備協(xié)商,以確定電源需求為USB默認(rèn)值(最高900mA)、USB中電流(最高1.5A)還是USB高電流(最高3.0A)。

新USBType-C標(biāo)準(zhǔn)可以輕松安全地為設(shè)計適當(dāng)?shù)脑O(shè)備提供高達(dá)100W的電力。隨著所有智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、計算機(jī)和電子配件都標(biāo)準(zhǔn)化為一種易于使用的連接器,開發(fā)人員不必再為使用哪種尺寸和類型的連接器而煩惱,這也是不會過時的設(shè)計。

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