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USB Type-C 电力传输电路设计

USB Type-C™ 规范引入了经由过程 USB 供给可扩展电力传输的新选择,但该规范错综繁杂,开拓职员面临着安然和结构问题。

本文将先容 USB Type-C(也称为 USB Type-C)插座办理规划,并指示开拓职员若何在新设计中集成和布设这些 USB Type-C 插座连接器,以便为外部设备安然地供给可扩展 USB 电源。

USB Type-C 简介

最初的 USB 1.1 标准规定最大年夜电流为 500 毫安 (mA) @ 5 V(2.5 W),USB 2.0 容许的最大年夜电流相同。而 USB 3.1 规范有所改变,其容许最大年夜 900 mA 的电流。所有这些标准都应用常见的矩形 USB 连接器。然则,跟着 USB 变得无处不在,其利用及相关需求在连接器兼容性和电力传输能力方面也随之增添。

这些需求匆匆成了 USB Type-C™ 标准的成长。USB Type-C 不是数据传输规范,而是一种新的微型 USB 连接器标准。纵不雅其历史,USB 不停受到连接器兼容性问题的困扰。只要插入标准矩形 USB Type-A 连接器,必定会受到墨菲定律的困扰:无论用户若何插入该极化连接器,老是插反(图 1)。纵然以精确的偏向插入,该连接器也可能无法精确就位,导致必要赓续地倒置连接器并从新插入。

鉴于极化 Type-A 连接器的大年夜尺寸,为了更轻易地集成在小型破费类设备上,开拓职员开拓了尺寸较小的极化连接器类型:梯形的微型和迷你型连接器。纵然是这些连接器,对付开拓职员和用户来说也有与 Type-A 相同的偏向问题。

新型 USB Type-C 连接器(图 1 右下方)仅略大年夜于 Android 智妙手机和物联网 (IoT) 设备上的 USB micro-B 连接器。它同期间替了谋略机(主机)和设备连接器,从而只需一条线就可以连接各类设备。此外,USB Type-C 连接器没有扣且没有首选偏向,无论若何插入,都可实现牢固连接。

USB Type-C 连接器引脚排列和功率级

USB Type-C 连接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。当用于 USB 3.1 时,标准要求其同时支持向后兼容 USB 2.0,并且在新设计中保举应用这种要领。然则,对付低数据速度设计,该连接器也可仅用于 USB 2.0。

察看 USB Type-C 连接器插座的引脚排列,四个接地引脚 (GND) 部署在连接器的外侧(图 2)。这有助于前进抗噪性,并且还可以轻松连接到金属接地连接器外壳。中心是两对标准 USB 2.0 双向数据引脚 D+ 和 D-,它们对付所有 USB Type-C 数据传输利用都是必需的。USB 3.1 具有自力的高速数据发送和接管路径,接管引脚 RX1+ 和 RX1 与 RX2+ 和 RX2- 相对排在两侧。USB 3.1 发送数据路径同样是 TX1+ 和 TX1- 与相对的 TX2+ 和 TX2-。

USB Type-C 连接器标准还支持视频传输,包括 DisplayPort 和 HDMI。该标准称之为交替模式,本文不做先容。

在这种背景下,紧张的是 USB Type-C 连接器标准规定的最大年夜传输电流高达 5 V 下 3.0 A,功率高达 15 W。USB 电力传输标准 v2.0 更进一步,它规定支持 USB 3.1 的 USB Type-C 连接器可以供给高达 100 W 的功率(20 V,5 A)。该功率由四个 VBUS 引脚输出。这使 USB 接口从帮助电源成为主电源。

实施 USB Type-C 连接器设计可能会异常棘手

若要在项目中支持高达 100 W 的功率,必要审慎履行电路板结构步骤,确保用户和开拓职员的安然。大年夜多半项目都不必要如斯高的功率;例如,对付电流异常高的智妙手机充电器,其额定电流可能为 3.0 A。然则,多半商用 USB Type-C 连接器的常见最佳设计是 VBUS 和 GND 引脚之间为 5.0 A。Amphenol FCI 的 USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1 直角型 USB Type-C 连接器支持这种设计(图 3)。

该 USB Type-C 插座连接器可支持最大年夜 5 A 的电流,是以,100 W 的输出将必要 20 V DC。然则,对付大年夜多半项目而言,25 W(5 V,5 A)就足够并且还安然。该 USB Type-C 连接器支持每秒 5 千兆比特 (Gbit/s) 的 USB 3.1 Gen 1 数据速度,最大年夜额定电压为 100 V DC 或 AC,根据 100 W 最大年夜功率规格,可供给最大年夜 1 A 的电流。

该连接器支持外面贴装或通孔组装,其位于印刷电路板的顶部。不锈钢连接器外壳比铝更稳固,并且经由过程电气连接至 GND 引脚。

外壳必须应用四个窄卡舌接地,而卡舌会滑入印刷电路板的插槽内,连接器每侧各两个。务必应用大年夜量焊料将这些卡舌焊接到电路板电源接地层,以确保牢靠连接。

USB Type-C 连接器旌旗灯号布线

USB 3.1 高速差分旌旗灯号必须仔细布线,使它们彼此相邻且长度完全相同。维持差分旌旗灯号的走线尽可能短,以最大年夜限度地低落 EMI。为得到最佳抗噪性,请将差分旌旗灯号置于印刷电路板的内层。假如在印刷电路板外层上布线,则用接地走线困绕差分对走线来隔离来自其他数据线的旌旗灯号。此外,务必在实心接地面上布设差分旌旗灯号,以最大年夜限度地低落 EMI。

设计印刷电路板时,需使差分走线阻抗为 90 欧姆 ±10%,以匹配 USB 电缆差分阻抗。别的,每条走线的布设要领要使每对的单端阻抗相同。一样平常说来,在这种环境下,差分对的阻抗是此中一对阻抗的两倍。是以,布设走线时应使每个单端阻抗即是或靠近 45 欧姆 ±10%。

若何安然地布设 USB Type-C 功率旌旗灯号

布设功率旌旗灯号更为关键。为防止与项目外壳或用户发生意外短路,必须胆小如鼠,确保安然地输出 5 A 电流。该电流可以布设在印刷电路板的顶层或底层,但不应太接近印刷电路板的边缘。这样有助于防止因为项目外壳受冲击或毁坏而导致与外壳意外连接。

要经由过程厚度为每平方英尺 2 盎司的铜覆层在印刷电路板上供给 5 A 的电流,必要 44.6 密耳的走线宽度。更安然的措施是经由过程在印刷电路板内层布设 5 A 电流,以隔离电流免受任何外部滋扰,这必要在相同铜密度下应用 116 密耳的走线宽度(基于 IPC-2221 标准谋略)。在 VBUS 连接器引脚相近的覆铜应尽可能多,以防止电流丧掉。

垂直安装 USB Type-C 连接器

假如印刷电路板空间异常宝贵,可以垂直安装 USB Type-C 插座连接器。为此,Amphenol FCI 供给了 USB 3.1 10132328-10011LF 垂直安装 USB Type-C 连接器。

这款垂直 USB Type-C 连接器支持 10 Gbit/s 的 USB 3.1 Gen 2 数据传输标准。它还支持 100 W 的电力输出,其最大年夜额定电压为 100 V DC 或 AC,并且能够供给高达 5 A 的电流。该产品采纳与直角型连接器相同的不锈钢外壳构造。犹如直角型连接器,需应用大年夜量焊料确保外壳上的四个卡舌经由过程印刷电路板上的孔实现安然接地。

与直角型插座不合的是,它只是外面贴装在连接器的小端,使 VBUS 电源触点更接近旌旗灯号触点。此中必须审慎布设电源触点,使其阔别旌旗灯号触点。若空间狭窄,最安然的措施是将数据对和 VBUS 电源触点放置在不合的印刷电路板层上。

在为上述插座连接器供电时,USB 主机和设备之间有一个简短的握手协议,抉择了供给多大年夜的电源。IC 可以处置惩罚 USB 注意灌输至拉出连接,使得这个历程对开拓职员来说是透明的。

STMicroelectronics 的 STUSB1700 USB Type-C 源节制器便是一个很好的例子。这可以安然地治理 5 V USB Type-C 主机与设备的连接。在供电时,STUSB1700 可以检测并防止电源短路、电流耗损跨越设置的限值、过热高于 145°C、欠压和过压状况,以及反向电流和反向电压状况。这极大年夜地简化了 USB Type-C 系统的安然设计,同时为开拓职员低落了繁杂性。

STUSB1700 用于 USB Type-C 主机连接器,可以检测主机与设备之间的新连接。该产品可以确定设备的电源需求并供给需要的电流。此外,还可确定设备是否为数字音频附件,以便可以向微节制器发出旌旗灯号,经由过程 USB Type-C 端口供给数字音频。它可以与 USB 设备协商,以确定电源需求为 USB 默认值(最高 900 mA)、USB 中电流(最高 1.5 A)照样 USB 高电流(最高 3.0 A)。

总结

新 USB Type-C 标准可以轻松安然地为设计适当的设备供给高达 100 W 的电力。跟着所有智妙手机、数码相机、谋略机和电子配件都标准化为一种易于应用的连接器,开拓职员不必再为应用哪种尺寸和类型的连接器而烦恼,这也是不会逾期的设计。

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