USB Type-C和PD 101

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。 快速了解 USB C 型和电力输送。 USB 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的 PC 1.2 解决方案 高出两倍有余的功率。 C 型/PD 可提供高达100 瓦特的电源。 此外，C 型 PD可支持通过交替模式 支持视频以及更高数据传输率的要求。 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 USBC 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 2.0、USB 3.1 以及 ALT 模式功能，如视频显示， 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、可翻转并具有多功能。 它具有通过线缆连接的单个 USB 2.0 总线对， D+ 与 D-在内部相连， USB 3.1 TxRx 对、USB 超高速数据总线 或者交替模式。 插座中的 CC1/CC2承担 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 就会对 C 型 USB 插头中的电子器件加电。 V 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 线路穿过用于与缆线相连的方向检测、滚动检测 以及电流模式功能的缆线。 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 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V 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，通常是器件或者 UFP。 双角色端口 —双角色数据、DRD， 以及双角色电源 — 它可在 DFP 和UFP 之间切换。 在 C 型电源角色端， 我们设有电源就，它在连上后将供电， 与此同步，连上后还有一个用电器。 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。 DFP 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。 实现对交替模式的支持需要有以黄色突出显示的 引脚。 交替模式使用C 型 USB 接口 以实现非 USB 功能。 USB 2.0 功能必须予以保留。 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 接口指定的 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 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UFB 功率耗散器。 在左侧，您可以看见检测到 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。 您可以见到蓝色的 PD 线路与一个较高的电压水平 进行协商，当已建立 20 伏反差时， 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时， 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 模式。 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。 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 PHY 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 实现最佳平衡。 它通常负责控制 SuperSpeed 多路转换和信号调制， 在解决方案前端通常 为总线短接保护，针对 SuperSpeed 线路的 ESD， 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 C 型端口电源开关 与 USB PD 控制器以及高速多路复用器 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 28 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。 无需外部VCOON 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 高速多路复用系列的 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。 TPS65981 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。 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。 这个方框图非常类似。 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 Type-CUSB 线时，发现 28% 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Type-C 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， 此外，还有许多故障机制。 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 TPD 8S300 USB 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VCOON、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