Type-C電子標記線(xiàn)纜的設計

　　何時(shí)需要 電子標記?

　　出現以下任意情況時(shí)，Type-C線(xiàn)纜需要電子標記：

　　● VBUS電流需要超過(guò)3A

　　● 需要USB 3.1 Gen2或10GHz USB

　　● 需要Alternate Mode

　　EMCA的類(lèi)型

　　USB Type-C 中有兩種電子標記線(xiàn)纜組件(EMCA)：即被動(dòng)EMCA和主動(dòng)EMCA。其中的主要區別是：主動(dòng)EMCA為SuperSpeed USB提供信號調節功能，如轉接驅動(dòng)器和重定時(shí)器功能。

　　以下是每種配置的一些例子。

　　被動(dòng)EMCA：不改變USB數據信號的EMCA就是被動(dòng)EMCA，可采用兩種方式設計：配備或不配備貫穿整條線(xiàn)纜的VCONN 導線(xiàn)。

　　● 每個(gè)插頭配備一個(gè)線(xiàn)纜控制器的被動(dòng)EMCA(即每條線(xiàn)纜配備兩個(gè)線(xiàn)纜控制器)。此時(shí)， VCONN 導線(xiàn)不需要貫穿整條線(xiàn)纜(如圖8所示)。

　　圖8 每個(gè)插頭配備一個(gè)線(xiàn)纜控制器的被動(dòng)EMCA

　　● 被動(dòng)EMCA ,每條線(xiàn)纜只配備一個(gè)線(xiàn)纜控制器。此時(shí)，VCONN 導線(xiàn)將貫穿整條線(xiàn)纜。需要使用隔離元件以便于從線(xiàn)纜的一端的引入VCONN用于向線(xiàn)纜控制器供電(如圖10所示)。

　　圖9 每條線(xiàn)纜配備一個(gè)線(xiàn)纜控制器的被動(dòng)EMCA

　　主動(dòng)EMCA：加了一些額外器件比如信號驅動(dòng)芯片等用于調節USB數據信號的EMCA。這可以實(shí)現更長(cháng)的線(xiàn)纜或光纜。

　　很多人認為被動(dòng)EMCA就是不需要電能的線(xiàn)纜，但是實(shí)際情況并非如此。被動(dòng)和主動(dòng)EMCA都需要某種形式的電能來(lái)驅動(dòng)標記電路。

　　設計考量

　　本節探討設計EMCA時(shí)應該考慮的USB Type-C規范中的不同功率要求。

　　通過(guò)USB Type-C線(xiàn)纜提供的VBUS 電能

　　對通過(guò)USB Type-C 線(xiàn)纜提供的VBUS 電能的最低要求與現有USB線(xiàn)纜相同。EMCA可以使用VBUS -而不是VCONN -來(lái)驅動(dòng)線(xiàn)纜電路，因為VBUS 貫穿了整條線(xiàn)纜。配有PD的VBUS支持更高的電壓(最高20V)。因此，任何一條含有由VBUS 供電的電子元件的USB Type-C線(xiàn)纜都必須能夠承受20V電壓。

　　所有VBUS引腳必須在USB Type-C插頭中互連。 全功能線(xiàn)纜每一端的VBUS引腳需要一個(gè)10毫微法的旁路電容器(30V的最小額定電壓)。該旁路電容器應盡量靠近電源墊。所有GND引腳必須在USB Type-C插頭中互連。

　　對VCONN的要求

　　VCONN的功能不同于VBUS，因為VCONN 與線(xiàn)纜另一端相互隔離。VCONN獨立于VBUS，而且與能夠使用USB PD支持更高電壓的VBUS 不同，VCONN 的固定為5V。表1顯示了所支持的VCONN 范圍，以及VCONN源應滿(mǎn)足的其它功率要求。

　　表1 VCONN源的特性

　　為了降低VCONN上的功率 ，DFP可以在以下任意情況發(fā)生時(shí)關(guān)閉VCONN ：

　　在一個(gè)CC引腳上檢測到有效電壓后(Rd在該引腳上)，未在另一個(gè)CC引腳上檢測到Ra ;

　　完成線(xiàn)纜發(fā)現過(guò)程后，確定不再需要 VCONN ;

　　線(xiàn)纜發(fā)現消息未被線(xiàn)纜響應

　　EMCA必須向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個(gè)最大DC阻抗。電容器允許出現±20% 的公差，以便通過(guò)EMCA標記芯片中未經(jīng)調整的片上電容器得到實(shí)現。表2列出了對EMCA中VCONN引腳上接地層的阻抗值。

　　表2 EMCA終結要求

　　如果沒(méi)有VCONN，供電線(xiàn)纜不應妨礙CC的正常工作，其中包括UFP檢測、電流宣稱(chēng)和USB PD運行。表3列出了使用VCONN電能的線(xiàn)纜應滿(mǎn)足的要求。

　　表3 VCONN特性

　　USB掛起模式下，電子標記線(xiàn)纜從VCONN 獲取的電流不應超過(guò)7.5mA。

　　被動(dòng)EMCA(不含數據總線(xiàn)信號調節電路)從VCONN 獲取的功率不應超過(guò)70 mW。

　　主動(dòng)EMCA(含數據總線(xiàn)信號調節電路)從VCONN 獲取的功率不應超過(guò)1W。

　　VCONN供電配件

　　VCONN供電配件是一個(gè)直接附著(zhù)式UFP，它實(shí)現了Alternate Mode，而且能夠只使用VCONN進(jìn)行工作。VCONN供電配件向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個(gè)最大阻抗。VCONN供電配件應能在2.7V-5.5V VCONN電壓范圍內工作。

　　其它設計考量

　　借助Type-C，一條線(xiàn)纜將具備多個(gè)功能，其中包括VBUS配電、USB數據和 alternate mode。alternate mode的一個(gè)常見(jiàn)例子是在一個(gè)或兩個(gè)USB SuperSpeed 線(xiàn)路上傳輸的DisplayPort。電力、數據和圖像的這種三合一打造了一個(gè)高電力、單線(xiàn)纜、超薄、易用的對接解決方案。為了使這條Type-C線(xiàn)纜同時(shí)支持Type-C和USB-PD功能，我們還需要采用其它技術(shù)。由于并非所有線(xiàn)纜都具備相同的能力或性能，需要一項USB-IF認證來(lái)表明某條線(xiàn)纜滿(mǎn)足規范中的所有要求。谷歌、亞馬遜等公司已公開(kāi)表明，USB Type-C線(xiàn)纜必須通過(guò)認證，任何未經(jīng)認證的線(xiàn)纜都會(huì )給DFP和UFP帶來(lái)安全風(fēng)險。 在發(fā)起任何USB-PD供電確認之前，DFP將通過(guò)SOP*枚舉來(lái)確認線(xiàn)纜是否獲得了USB-IF認證。

　　與OEM線(xiàn)纜成品必須通過(guò)認證一樣，Type-C線(xiàn)纜中的標記芯片也必須通過(guò)認證。賽普拉斯半導體公司的CCG2 EZ-PD PD控制器是市場(chǎng)上在首個(gè)認證測試日中首款通過(guò)認證的標記芯片。

　　賽普拉斯CCG2 EZ-PD標記芯片的可編程性可讓用戶(hù)輕松編程線(xiàn)纜特性。因為現在不同的線(xiàn)纜中的標記芯片內都植入了不同的廠(chǎng)商自定義信息，這一點(diǎn)變得越來(lái)越重要。此外，當最終用戶(hù)的要求或參數發(fā)生變更時(shí)，或當USB-IF修改USB Type-C或USB-PD規范時(shí)，這個(gè)特性也是必不可少的。用戶(hù)可以使用賽普拉斯的CC引導裝載程序技術(shù)，輕松地將這些變更重新編程到線(xiàn)纜成品中。

　　對EMCA應用中的線(xiàn)纜控制器的主要應用級要求包括：

　　● 支持最新PD規范中定義的USB-PD協(xié)議;

　　● 支持BMC編碼的物理層;

　　● 支持VCONN導線(xiàn)上內置的Ra電阻器;

　　● 能夠使用VCONN電源向芯片供電;

　　● 支持用于實(shí)現每條線(xiàn)纜只配備一個(gè)線(xiàn)纜控制器的被動(dòng)EMCA的內置隔離元件(圖10);

　　● 支持通過(guò)斷開(kāi)Ra電阻器達到節能目的;

　　● 支持CC 和VCONN 引腳上內置的系統級防護;

　　● 支持引導裝載程序，以便隨著(zhù)USB Type-C和USB PD的演進(jìn)，支持通過(guò)CC進(jìn)行固件升級。

　　每條線(xiàn)纜配備一個(gè)CCG2的被動(dòng)EMCA

　　在這種EMCA架構中，其中一個(gè)插頭中包含一個(gè)CCG2標記芯片。這種方法要求一條VCONN 導線(xiàn)貫穿整條線(xiàn)纜，這樣一來(lái)，無(wú)論哪一頭連接主機(DFP)，芯片都能獲得供電。所需的隔離元件內置于CCG2中。有關(guān)這種方法和其它方法的詳情，請參閱：設計USB 3.1 Type-C線(xiàn)纜。

　　圖10 每條線(xiàn)纜配備一個(gè)CCG2的被動(dòng)EMCA解決方案

　　圖10描述的是配備CCG2的被動(dòng)EMCA，這種EMCA架構包含兩個(gè)CCG2，一個(gè)插頭包含一個(gè)。VCONN信號不貫穿整條線(xiàn)纜，而是終結于每個(gè)插頭的CCG2。

　　圖11 每個(gè)線(xiàn)纜插頭配備一個(gè)CCG2的被動(dòng)EMCA解決方案

　　圖11描述的是配備CCG2的被動(dòng)EMCA ，該EMCA支持PD。在線(xiàn)纜的兩端各嵌入一個(gè)CCG2，分別由兩端的USB Type-C端口供電。第二個(gè)CCG2的存在，使得VCONN不需要貫穿整個(gè)線(xiàn)纜。

　　每條線(xiàn)纜配備一個(gè)CCG2的主動(dòng)EMCA

　　主動(dòng)EMCA的主要功能是通過(guò)在數據路徑上添加一個(gè)信號驅動(dòng)器提供信號調節功能。主動(dòng)EMCA如需要配置/信號調節功能，可使用USB Power Delivery廠(chǎng)商自定義消息來(lái)尋找和枚舉線(xiàn)纜屬性。該方案需要從 VCONN電源獲取連續電能，因此DFP不能關(guān)閉線(xiàn)纜的VCONN 供電。

　　圖 12 每條線(xiàn)纜配備一個(gè)CCG2的主動(dòng)EMCA解決方案

　　圖12描述的是配備CCG2的主動(dòng)EMCA，其內嵌一個(gè)用于延長(cháng)線(xiàn)纜長(cháng)度的再驅動(dòng)。

　　“設計USB 3.1 Type-C線(xiàn)纜”詳細闡述了制造商如何使用CCG2輕松設計被動(dòng)電子標記線(xiàn)纜組件(EMCA)。“硬件設計指南”提供EZ-PD™ CCG2的硬件設計和PCB版圖指南。這些指南有助確保最佳的信號完整性，以及對USB Power Delivery和Type-C規范的全面遵從。賽普拉斯擁有一個(gè)廣泛的Type-C控制器產(chǎn)品組合(從單Type-C端口控制器EZ-PD™ CCG1、EZ-PD™ CCG2、EZ-PD™ 和CCG3到雙端口控制器EZ-PD™ CCG4)，此外還提供產(chǎn)品手冊、開(kāi)發(fā)套件、應用說(shuō)明、軟件下載、示例項目、演示視頻等有用工具。

　　市場(chǎng)上的很多USB Type-C線(xiàn)纜設計不合理，有可能損壞用戶(hù)的硬件設備。尤其是由于設計拙劣，很多線(xiàn)纜不遵從USB-C規范，電阻值不正確，導致EMCA消耗過(guò)多電能。在為您的新設備購買(mǎi)任何USB Type-C線(xiàn)纜之前，請查一下它是否真的遵從USB-C規范。本文Type-C和PD規范的基本概念，可用作設計全面遵從USB Type-C規范的電子標記Type-C線(xiàn)纜的參考指南。