TI和WE的USB 3.1 Type-C解决方案

大家好，感谢大家参加本次课程。 我叫 Nicolas Prou，担任 Wurth Elektronik 的 产品经理。 今天，我将向您介绍USB 3.1 技术， 尤其是Type - C 类产品。 稍后，我的同事 FrankPuhane 将 讨论单滤波方面，同时来自德州仪器 (TI) 的 Kevin Jones 将讨论电源管理 注意事项。 要弄清 USB 3.1技术的来源， 我们必须从其创建开始说起。 它由英特尔和微软等一批业界领导者 于 1994 年制定。 USB 1.0 的初始数据率仅为 1.5 兆位/秒。 随后我们在 2000 年发布 USB 2.0 协议， 它迈出了向前发展的第一步。 此时，USB 通信的 最大数据速率是 480 兆位/秒。 至此，该版 USB仍然是市面上 最为流行的版本。 2008 年，USB 3.0 的创建 迎来了数据传输率提升方面的巨大进步， 接下来，USB 3.1 规格于 2013 年推出。 与 USB 2.0 相比，数据传输率分别 倍增 12 和 24 倍。 无论如何，数据传输率不是唯一的主要考虑因素。 电源方面的因素以及对 USB 连接器的发展趋势 的市场限制 均有一定影响。 已知的首个商业化 USB 版本是高速 USB 2.0， 它提供四类连接器— A 型、B 型、迷你型 以及微型。 接着规格演进至 USB 3.0 使得迷你型完全消失， 并完全由微型所取代， 例如，它更适用于嵌入式应用。 此外，性能也得到显著提升， 数据交换率提升 12 倍， 功能提升 80%。 USB 3.1 技术又向前迈进了一大步。 它将以往 USB 3.0 规格的数据传输率翻番， 并且功率性能获得了 显著提升， 供电功率达到了 100 瓦。 在接口端，全新的连接器 Type - C 型 诞生了。它具有固有的可逆性。 凭借 USB 3.1 的所有这些升级功能， 尤其是新的 Type - C 型， 最终应用的数量变得越来越大， 并且消除了场。 现在 USB 协议和连接器 可同时用于许多高速和 高功率应用 —SuperSpeed 硬盘驱动器、 供电主电源，当然， 归功于 10 千兆位/秒的高数据传输率功能， USB 现在还可用于视频传输。 它还意味着该标准可替代 有些历史协议， 如针对通信的以太网协议，或者针对视频广播的 HDMI。 从 USB 3.0 开始，USB 经过了 大量改动以实现这样的性能。 首先，协议演进为 132 中128 个有用位， 而不是第一代 USB 的10 个有用位中的 8 位。 多项式扰码也在不断 变化以支持更宽广的通信带宽。 归功于此协议演进， 数据传输率性能自然而然得以提升。 此外，在连接器端， 我们进行了多项改进以提高信号抗扰性 以及 EMC 性能。 屏蔽已改进，且最低可接受抖动 已在 100 皮秒已减少 2， 以确保发送和接收期间的 误码率降至最低。 现在，我们来看看C 型连接器的 设计与连接性。 它由 24 个触点组成，4 个触点用于 必须互联的电源， 4 个用于地回路， 这也必须互联， 4 个用于 USB 2.0数据传输， 8 个用于 USB 3.1数据传输， 2 个信号用于配置面板， 2 个信号用于边带使用。 对于这些信号，触点数 与传统使用相比翻翻， 以实现可逆转性功能。 使用了配置通道引脚来 检测、电源管理以及 [听不清] 以实现器件管理。 最后，保留了边带所用触点 以用于 HDMI 等备用标准的 特定用途。 如果 USB 3.1 C 型产品能够在如此高的 数据传输率下执行， 这还要归功于其机械设计。 在顶行与底行之间， 底板保留了信号的真实性，限制了串扰。 此外，在插座中实施了六个法兰 以在连线上使用使地回路更为轻松。 最后，出于机械目的，首选洞保留引脚 表面贴装以提高连接器 与 PCB 连接器的保持度。 C 型插头的设计与插座的设计 略为相似。 主要区别在于B6 和 B7 触点消除。 它们因两个原因而一直受抑制。 第一个原因是能够在插入时检测 插头端。 [听不清] 另一个原因是限制了 发送期间的串扰。 希望大家对此次演示满意， 并且您现已获知有关 USB 3.1 技术 以及 C 型机械方面的更多详细信息。 Wurth Elektronik 产品可在 20 伏下支持 5 安额定电流， 以作为 100 瓦电源使用。 10 千兆位/秒的高数据传输率也可同时实现。 现在 Frank Puhane将向您解释 此类型号的自适应滤波解决方案。 最后一点，这是USB 组织通过 TID 列表给出的 官方解决方案。 感谢大家参加本次课程。 谢谢您将课程转交我来继续。 大家好，我在这边欢迎大家 参加我们的USB 3.1 C 型网络研讨会。 我叫 Frank Puhane，在 Wurth Elektronik 过去担任现场工程师，现在从事技术项目工程师工作。 我想谈谈USB 3.1 的 高数据速率信号滤波。 为了解截止频率的效应， 我们仿真了理想案例， 有些理想的滤波器具有不同的截止频率。 在 figure 1a为输入信号， 在 figure 1b 为信号谐波。 在图 1c 中是信号经滤波后的 输出时间响应。 信号的颜色与滤波器对应， 这可保护信号。 在图 1d 中，不同滤波器的频率响应 与不同滤波器的频率响应 进行了对比。 您或许能够见到9、12 和 26GHz 上 滤出的谐波，具体取决于滤波器。 为保留信号的完整性， 建议不过滤信号的 前四个谐波。 截止频率应大于 信号的第四个谐波频率。 我们将比较在不同数据传输率下获得的 眼图。 信号发送器具有非归零编码， 以铁氧体拍频建立的最后一个滤波开始。 WE-CBF HF 滤波器将极大扭曲信号。 眼已完全关闭，测试将失败。 铁氧体拍频不会区分 差分信号与常见信号。 噪声将随载波信号消失。 WE-CNSW 与 WE-CNSW HF之间的差异 目前并不显著，如您所见。 两种情况下的信号都未受到组件的 严重影响。 但是，当您向系统中插入某个组件时将出现什么情况？ 您改变了阻抗。 所以，这可导致意外的反射。 WE-CNSW 系列旨在实现低差分阻抗， 从而使它们不会影响信号。 但是，信号频率提高将 使该 [听不清]测试更为重要。 查看 CNSW 的黑色阻抗曲线， 以及 CNSW HF 的红色曲线， 您能够多少注意到常用模式阻抗和差分模式阻抗之间的 差异。 为什么我们构建差分部件？ 为此，我们必须查看这两个组件的 参数。 S 参数，也就是散射许可， 我们使用不同的测试配置 呈现常用模式与差分模式下 输入与输出之间的关系。 凭借这些测试滤波器，我们获得了 高达数千兆赫兹滤波器的[听不清] 的良好近似值。 当在 3GHz频带上运行时， 这些近似值不再有效， 必须使用专用夹具和同轴缆线 完成测量。 该测量是一种四线测量。 要展示这些参数， 有两个选项，散射参数和 混合模式散射参数， SDD 差分模式和 SCC 常见模式。 此图展示了我们用于测量 S 参数的测试设置。 在向不同组件提供了 S 参数时， 您还可以仿真电路。 在 [听不清] 程序 Qucs 中，如我们在此所建， 您可以仿真不同的信号波形， 从针对差分模式的SDD 四点测量 到针对常见模式的 SCC。 通过有些数学方程式， 您还可能够以 dB 为单位直接插值。 对于测量和仿真的 S 参数， 我们在左图中可见到 CNSW 比较，在右图中可见 CNSW HF。 对于 4 GHz 下的常见模式衰减， 它可见于左图中正常 CNSW 的损耗， 可能影响有用的信号。 衰减值高达约 -10 dB。 与 HF 类型相比较， 有图中，4 千赫处的值约为 -2.6，且最大值为 -4 dB。 现在，我们在左侧的 CNSW 与右侧的 CNSW HF 之间 进行了比较。 两个组件在常用模式下均具有几乎相同的阻抗， 如我们先前所示。 平均差值以差分模式阻抗表示。 查看在每秒 2.5千兆位处的数据， 差异很小。 使用高频组件能够更为干净地 滤除信号谐波，没有其他的标准组件。 当我们查看每秒 5 千兆位处的眼图时， 此差异足以引起注意。 与标准版本相比较，眼小得多。 提高信号频率将 增加低差分模式阻抗的 重要性。 使用 CNSW 时，截止频率 大约是 2 千赫，而使用 CNSW HF 时， 截止频率翻番，在常用模型下 阻抗仍保持不变。 如果是 CNSW，信号的基频 会受到影响并衰减。 然而，使用 CNSW HF，仅有高频谐波 衰减，从而生成可通过测试的眼图。 如我们在其他不同眼图中所见， 重要的是，在您想过滤 高数据传输率的信号时， 选择差分模式下低阻抗的正确组件。 为此，对比不同组件的 S 参数 将非常有助于 了解真实差异。 感谢大家参加有关C 型 USB 3.1 的网络研讨会。 希望它对您有所帮助。 如果您有任何问题，尽管提出来。 谢谢您的参与。 我叫 Kevin Jones，德州仪器 (TI) 的 市场与应用总监。 今天我们将介绍USB C 型和电力输送。 USB C 型和电力输送快速预览 — C 型与电力输送是得到广泛应用的接口， 能够实现电源和信号方面的扩展。 这是用于 USB 器件以及线缆连接的 可逆插头连接器的规格。 C 型和 PD适合从墙面插座、 移动电源、平面电脑、监控器到我们的 移动器件在内的许多应用。 为何是现在？ 如今一个 USB C 型连接器即可提供 由多个连接器所提供的功能。 标准的 C 型现在可以提供比现有 BC 1.2 解决方案高两倍的功率，C 型 PD 可以 提供高达 100 瓦电源。 此外，C 型 PD 可以通过交替模式 支持更高的视频要求和更高的数据传输率。 USB 历史一瞥 — 在 2000 年，典型的USB 数据传输率 是每秒 1.5 兆位至每秒 12 兆位。 多年来，此数字稳步上升， 目前为止，我们已能够实现每秒处理 10 千兆位。 请注意，USB 速度与 USB 是 C 型、A 型还是 B 型连接器无关。 USB C 型是通用型连接器，支持在一个连接器中 提供数据、视频以及电源。 如左下方介绍，您可以看见 USB C 可以如何涵盖功率、数据、视频 以及音频，而在过去 这通常需要四个独立连接器。 线缆为对称、正反两用， 并且插头可翻转。 重要的是，C 型 采用连接器/缆线接口，速度未变。 USB 2、USB 3.1 以及ALT 模式功能，如 DisplayPort 视频， 现在可以共存在单个连接器上。 让我们看看C 型插头。 它对称、可翻转并且正反可用。 它具有通过线缆连接的单个 USB 2 总线对。 D+ 与 D-在内部相连， USB 3.1、Tx/Rx 对、适用于高速数据总线的 高速 USB 或者交替模式。 插座中的 CC1、CC2承担了 CC 或 VCONN 的功能。 CC 是 C 型接口的配置通道。 在线缆配置完成后，VCONN 将对 C 型 USB 插头中的电子器件加电。 D 总线使电力传输高达总计 100 瓦特。 两个 SBU 边带信号用于交替模式。 这里有 C 型插座的快照。 它支持电源、USB 2.0、USB 3.1、交替模式视频。 所有器件共存于单个连接器上。 插座有两个 CC 引脚。 一个 CC 线路穿过缆线， 用于与缆线相连的方向检测、滚动检测 以及电流模式功能。 未用的 CC 引脚将用于 VCONN 电源。 为选择数据信号， 实现 C 型 USB 插头的可翻转能力要求相应选择 USB 3.1 SuperSpeed信号以及 USB 2.0 高速 信号。 该插座有两对D+ 和 D- 引脚。 如果已连接接线柱，则无需多路复用器。 出于信号完整性考虑，USB 3.1 SuperSpeed 信号 不能与接线柱相连。 这就要求选择多路复用或 SuperSpeed 多路复用， 我们稍后将做讨论。 另请注意对称D 总线连接、接地、发送 以及接收。 C 型 USB 通道配置一瞥。 这是承接可翻转、对称以及 正反可用缆线的简单方式。 C 型号数据角色的一些术语 — 面向下游的端口、DFP、主机或者面向上游的端口， 通常为器件或 UFP。 双角色端口、双角色数据、DRD 以及双角色电源， 可在 DFP 和UFP 之间切换。 在 C 型电源角色端，我们在连上后将具有 一个提供电能的电源，一个功率耗散器， 一个用电器。 这是一个简单的电阻分压网络， 用于区分主机和设备。 DFP 通过 RP 拉取 CC 引脚。 UFP 通过 RD拉取 CC 引脚。 DRD/DRP在 DFP 和 UFP 之间交替。 在缆线中有一条 CC 线路。 如果有源 CC 线路在另一端有 RD 或 RP， DFP 或 UFP 可检测UFP 或 DFP 的连接件。 DPF 或 UFP 可通过检测 CC 线路是否活跃， 检测插头朝向。 DFP 使用不同的 RP 值通告其电流提供 能力。 默认情况下，提供的 USB 电流为1.5 安培或 3 安培。 数据和电源角色 —默认情况下，DFP 主机 为电源，UFP 器件为功率耗散器。 USB PD 可用于改变这些角色。 VCONN 电源 —DFP 在未用的 CC 引脚处 为缆线或附件内部的电子器件提供 VCONN 电源。 缆线必须安装了下拉电阻器 RA， 以请求 VCONN 电源。 C 型 USB 连接器一瞥及其对交替模式的 支持 —交替模式支持 要求具有以黄色突出显示的引脚。 交替模式下使用C 型 USB 接口 提供非 USB 功能 —则必须保留 USB 2.0 功能。 必须使用 USB PD 来协商交替模式。 由供应商或标准组织定义的操作 与 USB 接口签署的 SVID 关联 — 进入和退出交替模式 受 USB PD 结构的VDM 进入模式和 退出模式命令的控制。 一些交替模式示例有工作中的 DisplayPort、Thunderbolt、 PCI Express、MHL以及 HDMI。 您还可以创建自己的可信模式。 选项 1，创建由 USB 接口 批准的官方交替模式。 它将赋予SVID 或标准 ID。 选项 2，从 USB 接口获取 VID， 并创建非官方交替模式。 您只有向系统两端均提供您的解决方案， 才能正常工作。 TI 支持这两个选项中的任何一个选项。 让我们快速仔细看看USB PD 交替模式 协商。 这是在对接底座和建立 SB PD 反差的 笔记本电脑之间的范围踪迹。 在右侧，我们展示了采用 TPS65982 PD 控制器的 USBPD 传输分析仪输出。 在本示例中，我们将对接底座用作 DFP 源并将笔记本电脑用作UFP 功率耗散器。 如您一直朝左边可见， 您可以见到，当检测到线缆时， CC 线路从 0 伏跳至 5 伏。 在检测到线缆后， 您可以在 VBUS 线上以黄色突出显示的 5 伏应用。 在建立 5 伏反差电压后， 您可以见到蓝色的 PD 线路与一个较高的电压水平 协商。 当 20 伏反差电压已建立时。 您可以见到 VBUS从 5 伏变为 20 伏。 然后，您可以见到在替代模式已协商后， CC 线路上蓝色部分的持续通信。 此处协商的替代模式采用的是 DisplayPort。 让我们开始看一看实施该替代模式 所需的一些多路复用。 如右侧的图中，您可以见到 GPU 和 USB 主机。 GPU 正提供在替代模式下 使用的视频信号。 USB 主机在提供 USB 数据。 PD 控制器的责任是 控制多路复用并选择是否是 DisplayPort 数据、USB数据，或将这两种数据 提供给 C 类USB 插座。 TI 的 USB C 类与 PD 产品系列一瞥。 我们倾向于将对 USB C 类的支持分段并将 PD 分为三个主要水平。 这有许多15 瓦或 更低功率的应用。 这些是我们今天使用的典型应用， 其中，制造供应商 仅仅是将 A 型连接器切换至 C 型 连接器。 在其他应用中，制造商要求 更高的功率。 C 型和电力输送 多用于这些产品。 还有 USB PD 的另一种 提供 C 型的分类，我们称作全功能 PD，您将能够 使用此类器件利用PD 交替模式提供电能、数据以及 视频。 TI 具有一系列支持该功能的产品。 除这主要的三种 C 型USB 和 PD 支持水平外， TI 具有多项比较产品 来协助您的设计。 现在，我们就来深入了解 TPS65982 端口控制器。 在构建USB C 型 PD 设计时， 必须了解的在该系统中需要用到的 关键组件。 左侧是用于协助 USB C 型 与 PD 解决方案设计的通用方框图。 如您所见，在红色部分， 我们通常可见到 USB C 类与 PD 所要求的与电源有关的功能。 这些方框的功能用途是管理 VBUS。 在 USB C 型和 PD 系统中，VBUS 有多种要求。 重要的是要系统能够察觉过流、 过压，能够提供热关断， 在电池电量耗尽模式下运行 — 即在未向芯片提供任何电源时 — 并且还在 VBUS 上提供反向过流保护。 通常，我们将为移除多余的缆线提供 VBUS 放电。 TI 组件通常随附 IEC 和 UL 安全 许可。 如左侧所示， TI 器件支持可变直流至直流 电压架构或电源多路复用架构。 在蓝色部分，您可以见到电源外部 典型 C 型 PD 功能所用的许多组件。 CC 检测和翻转是其核心。 这将决定缆线的朝向。 PD [听不清] 或调制解调器用于使用 CC 线路经过 PD 进行通信。 PD 管理器通常为微控制器， 但是它可作为状态机， 管理交替模式、C 型电流以及电源的 协商。 它通常负责控制 SuperSpeed 多路转换和信号调制， 如紫色所示。 在解决方案前端通常 为总线短路保护，针对 SuperSpeed 线路的 PSD， 以及还有针对 CC 和高速线路的 ESD。 左侧所述的是TPS65982。 所有未灰显的方框均已经 纳入 TPS65982 中。 如您所见，USB 器件，65982， 一个具有 USB PD 控制器的USB C 类电源开关 以及一个高速多路复用器均已高度集成。 它支持所有 C 型高电流模式， 具有集成端口电源开关， 高达 20 伏特，3 安培。 它支持可选的双向外部电源， 并且 MOSFET 能够提供100 瓦特支持。 它具有一个集成式电池电量耗尽 LDO 以实现无电池情况下的自主运行。 它完全兼容USB PD 基带调制解调器。 它能够借助集成式VCONN 开关 执行所有 CC 引脚功能。 您能够轻松获得线缆检测和线缆定向， 无需具备外部VCONN 组件。 集成式高速多路复用器和交替模式支持 使器件能够支持 DisplayPort、Thunderbolt、PDIO、QuickSwap 以及 MHL 交替模式。 这种解决方案拥有灵活的系统接口， 包括 TI C 型多路复用系列的 I2C 主和从、 Spy 以及简单连接与 控制。 使用 6×6 非 HDIMicroStar BGA 极为简单。 该款器件的后续产品是TPS65981。 它还在工业和汽车选件中 均有提供。 TSP65981 与 TPS65982 之间的主要区别是 其 8×8 的 56引脚 QFN 封装包。 其大间距以及对工业和汽车温度范围的支持 使其成为您的工业或汽车应用的 理想选择。 让我们使用笔记本电脑应用来快速查看 TPS65982 示例。 此应用描述了笔记本电脑中的 TPS65982。 如您所见，它能够全面管理 VBUS 电源， 无论是由笔记本电脑供电 — 在本例中是 5 伏特或 12 伏特 — 还是从外部充电器接收电源， 高达 100 瓦特。 TPS65982 还管理SuperSpeed 多路复用 以控制替代模式的支持。 所以笔记本电脑可以按需提供 DisplayPort 或 USB 3.1 数据传输。 如您所见，这个方框图简洁利落。 在 TPS65982 中集成了实现该设计 所需的大部分组件。 这使系统设计非常直接明了。 此处所示的是采用对接系统的 TPS65982。 如您所见，这个方框图非常相似。 TPS65982 将管理对接底座的电源输入与输出， 高达 100 瓦特。 内部路径分别为5 伏特和 12 伏特 提供 60 瓦特路径和 15 瓦特路径。 TPS65982 将自动协商交替模式、 电源、数据和视频。 同样，这是一张看上去类似但应用不同的方框图。 TPS65982 构成监控器设计的中心。 它将协商电源输出，高达 100 瓦。 并能够额外提供20 伏和 50 伏输出。 将来，当您将笔记本电脑或手机附件插入监控器时， 您将发现许多监控器 将用作对接器。 监控器将能够 对笔记本电脑或移动设备充电。 该系统中的TPS65982 还支持 DisplayPort交替模式和 USB 3.1。 让我们快速切换到使用 C 型的另一设计 考虑事项。在调查亚马逊上出售的 C 型USB 线时，发现 20% 的缆线 不符合USB-IF 认证标准。 自 2006 年 3 月起，亚马逊将禁止 出售任何不符合认证标准的C 型 USB 线缆。 我们的许多客户以及制造合作伙伴 发现有各种缆线影响其系统， 在可耐受 5 伏电压的引脚上提供大于 20 伏的电压。 如您从连接器视图中可见， 您可见到存在许多故障机制。 CC 线路和 SBU 线路与 VBUS 并置。 一个硬机械扭转、碎屑或者截短的缆线 将在 CC 或 SBU 线路上带来 VBUS 电压，造成损伤。 TI 开发了 TPB8S300TPS65982 C 型 CC SBU、D+、 D- 保护器，防范 VBUS 短接以及出现 IEC ESD 事件。 该信号芯片保护VCONN、CC、SBU、D+、D- 免受短路与过压影响。 这是许多系统的核心要求。 感谢您投入宝贵的时间给予 USB C 型与 PD 的 大力支持。 下面我列出了一些信息 您可以查看和拓展我们今天所讨论的内容。 我希望