如何為您的產品添加 USB Type-C™連接

USB-C用途廣泛，並且支持除USB之外的其他數據類型，因此需要了解整個系統才能選擇合適的USB-C組件。如果產品是存儲設備或電池充電器，則無需為系統增加實現交替模式視頻所需的成本和固件。相反，如果系統是連接到支持DisplayPort的筆記本電腦的顯示器，則必須在設計中包含特定的埠控制器和組件。因為USB-C埠元件包括PD/USB協議、數據和電源，因此系統解決方案將包括USB-C供電埠控制器和模擬及電源組件。

一個最簡單的USB-C應用是純充電埠。在這種情況下，系統的設計目的是為與其連接的設備供電和/或充電。這類系統的一個例子是汽車上的後排充電口、電動工具電池或房屋裡的壁式充電器。

圖1：作為純充電電源的USB-C埠框圖

• USB-C埠控制器——協商連接和電源協議。

• 直流/直流轉換器——將輸入電壓轉換成PD協議需要的Vbus電壓。

• 負載開關——在插入時向Vbus提供5V電壓，在建立PD協議後，連接適當的Vbus電壓。有時會與直流/直流轉換器結合使用。

• LDO——調節埠控制器的電壓，因為直流/直流可能需要提供5至20V的電壓。

• USB-C接口

• 支持連接檢測和控制的USB-C連接器

• 符合USB供電規範3.0的MAC

• 預編程供電固件

• 支持所有標準供電配置文件（15/27/45/60/100W）

• 集成降低BOM成本和設計複雜性的精選模擬組件。連接所需的示例包括：

  》支持Rp/Rd切換的VCONN FET
  》電量耗盡Rd端接
  》針對過流情況的可編程電流檢測功能
  》針對過壓情況的電壓檢測功能

• 適用於應用的溫度支持

因為這是一個純充電的示例，因此不需要其他系統控制器。雖然有些供應商提供可編程器件，但純充電解決方案的邏輯選擇是預編程產品，沒有軟體要求，系統配置通過簡單的器件配置腳（接地或Vcc連接）完成。只要控制器符合PD 3.0標準，用戶就可以訪問所有標準電源配置文件：15W/27W/45W/60W/100W。

對於直流/直流轉換器，轉換器類型的選擇主要取決於輸入電壓。電源必須始終能夠提供5至20V的輸出電壓，才能完全符合PD標準。對於具有24 VDC輸入或電壓大於20 VDC的系統，基本降壓拓撲結構可以提供經濟高效的解決方案。對於低壓直流或離線交流供電系統，則需要採用其他拓撲結構。

圖2給出了一個針對圖1的修改示例。在這種情況下，設計人員選擇了為數據傳輸提供USB2主機支持，因為其現有產品採用了一個原生支持USB2的單片機。請注意，埠控制器不需要任何與USB2數據路徑的連接。無需額外組件，USB-C埠BOM與純充電解決方案相同。如果MCU/系統控制器支持USB3，也可以通過簡單添加USB3多路復用器來添加USB3（支持USB-C插頭的正反插）。在本例中，使用獨立的USB-C預編程埠控制器也是將單個USB-C埠添加到現有產品中的最簡單解決方案。

圖2：作為電源的USB-C連接框圖（包含USB2數據）

USB性能架構的頂端是基於集線器的系統，如圖3所示。基於集線器的設計提供了所有USB架構中最高的靈活性和性能，同時減輕了中央處理器的通信負擔。這種類型的系統通常用於個人電腦塢站和顯示器、汽車中心控制台以及任何需要多個USB連接的場合。和前面的示例一樣，這種設計的第一步是確定功能集。在個人電腦使用案例中，視頻信號很可能通過USB-C埠傳輸，這需要支持交替模式功能。因此，與上述純充電或充電加USB數據示例相比，此示例的埠控制器必須能夠支持交替模式功能，並且系統必須包含所需的電路，以管理通過交替模式通道傳輸的協議的方向和解析。

圖3：基於USB集線器的基礎架構，支持Type-A埠、Type-C埠和交替模式

該系統中使用多埠“智能集線器”，可為設計人員提供更高效的系統級設計。雖然設計人員可以輕鬆購買一個功能更豐富的埠控制器並將功能分開，但使用集線器中的控制器作為埠控制器可以降低成本與處理開銷。這在多埠系統中尤其如此，在這些系統中，數據移動或功率使用的協調非常重要。

此示例闡述了埠控制的一個改進形式，隨著越來越多的控制器和處理器中帶有USB-C功能，這種形式變得越來越普遍。所有USB-C控制功能（如埠策略管理、供電、交替模式支持和布告欄支持）都位於集線器內。在這種架構中，獨立埠控制器被收發器取代，收發器包含USB-C接口的物理層，類似於以太網的設計方式。

為了支持交替模式功能，該設計包含一個外部交叉開關多路復用器，可將視頻數據重定向到DP連接器以支持外部顯示器。該系統還展示了當今系統中常見的USB-A和USB-C連接器的實際組合。

為了解決當前對數據和網絡安全日益關注的問題，該設計還包含一個安全IC，允許對系統固件進行安全更新。Microchip的ECC608A等高度安全器件允許設計人員通過使用NIST、SHA-256和HMAC散列以及AES-128加密來確保代碼的安全性，甚至連製造商也不知道所有者的密鑰。

上述系統BOM示例的新增內容包括：

• USB多埠智能集線器——包含控制器和多個USB連接。

• 交叉開關多路復用器——將各種數據通道轉移到不同的位置。

• DP連接器——連接到視頻顯示器。

• Type-A連接器

• Type-A電源

• 安全IC——允許更新集線器的安全代碼。

• 每個埠的USB-C收發器 

• 每個USB-C PD埠的直流/直流轉換器

使用具有集成供電的USB智能集線器還可以實現其他系統級功能。包含HostFlex技術的高級系統（其中任何Type-C埠都可以成為系統主機）讓用戶無需考慮連接的埠即可接管顯示和輸出功能，從而提供了更高級別的靈活性和功能。利用功率平衡，還可以通過了解系統可用的總功率並執行用戶定義的功率分配算法來提高系統的靈活性。用戶可以根據連接順序、設備類型、連接的設備數量或這些條件的某些組合來決定是否供電。實現這些功能的技術是Microchip智能集線器，它可協調所有並行USB-C PD埠連接的平台級管理。在Computex 2018上，Microchip展示了可在帶有集成PD的最新系列USB 3.1多埠智能集線器上實現的系統級功能，如HostFlex、多主機（並發主機功能）和功率平衡。

      參考資料

      Microchip SmartHub IC設計中心：https://www.microchip.com/design-centers/usb/product-families/smarthub