如何采用USB-C新标准实现计USB-C连接器的设计

USB Type-C™规范引入了通过USB提供可扩展电源传输的新选项，但规范错综复杂，开发人员面临安全和布局问题。

本文将介绍USB Type-C(也称为USB-C插座解决方案)，并指导开发人员如何将这些USB-C插座连接器集成和布局为新设计，以便为外部设备安全地提供可扩展的USB电源。

USB-C简介

最初的USB 1.1标准指定最大电流为500毫安(mA)@ 5伏(2.5瓦)，USB2.0允许相同的最大值。这改变了USB3.1规范，允许最大900mA的电流。所有这些都是使用熟悉的矩形USB连接器。然而，随着USB变得无处不在，其在连接器兼容性和功率传输能力方面的应用和需求也在不断增加。

这些需求促成了USB Type-C™标准的发展。 USB-C不是数据传输规范，而是微型USB连接器的新标准。纵观其历史，USB一直受到连接器兼容性问题的困扰。插入标准矩形USB Type-A连接器一直受到Murphy定律的困扰：无论用户如何插入极化连接器，它都是颠倒的(图1)。即使以正确的方向插入，连接器也可能无法正确就位，导致连接器倒置并再次插入，并再次插入。

 

 

图1：自USB1.1以来，许多类型的USB连接器一直困扰着开发人员和用户。消费者计算机上最常见的连接器是USBType-A连接器，用于USB1.1,2.0,3.0和3.1。 (图片：维基百科)

鉴于极化的Type-A连接器尺寸较大，较小的极化梯形微型和迷你连接器类型的开发便于在小型消费设备上集成。对于开发人员和用户来说，即使这些问题与A型也存在相同的问题。

新的USB-C连接器(图1右下方)仅略大于上面的USBmicro-B连接器。 Android智能手机和物联网(IoT)设备。它取代了计算机(主机)和设备连接器，从而可以用单一类型替换多种电缆类型。此外，USB-C连接器没有键控且没有首选方向，无论连接器如何插入，都可以实现稳固的连接。

USB-C连接器引脚排列和功率水平

USB-C连接器支持USB2.0和USB3.1。当用于USB3.1时，该标准要求它还支持向后兼容USB2.0，这是新设计的推荐用途。但是，对于低数据速率设计，连接器也可以仅用于USB2.0。

 

 

图2：USB-C 24针插座连接器是非极化和可逆的，无论插入方式如何，都可以轻松连接插头。 (图片：STMicroelectronics)

查看USB-C连接器插座引脚排列，四个接地引脚(GND)布置在连接器外部(图2)。这有助于提高抗噪性，并且还可以轻松连接到金属接地连接器外壳。标准USB2.0双向数据引脚D +和D-在中心复制，对于所有USB-C数据传输应用是必需的。 USB3.1具有独立的高速发送和接收数据路径，接收引脚RX1 +和RX1-与RX2 +和RX2-一起加倍。 USB3.1发送数据路径与TX1 +和TX1-相同，并且复制TX2 +和TX2 - 。

USB-C连接器标准还支持视频传输，包括DisplayPort和HDMI。该标准称之为备用模式，本文不会涉及。

在这种情况下，重要的是USB-C连接器标准规定最大电流可在5伏特下达到3.0安培，最高可达5伏特。 15瓦的力量。更进一步的是USB Power Delivery Standard v2.0，它规定支持USB3.1的USB-C连接器可以提供高达100瓦的功率(20伏特，5安培)。该电源来自四个VBUS引脚。这使USB接口成为辅助电源，成为主电源。

实施USB-C连接器设计可能会非常棘手

支持高达100瓦的功率项目需要仔细的板布局程序，以确保用户和开发人员的安全。大多数项目都不需要获得那么大的权力;例如，非常高电流的智能手机充电器可能额定为3.0安培。然而，大多数商用USB-C连接器的常见最佳位置是VBUS和GND引脚之间的5.0安培。这是由Amphenol FCI的USB3.1 10137062-00021LF Gen 1直角USB-C连接器支持的(图3)。

 

 

图3 ：Amphenol FCI 10137062-00021LF USB-C连接器是一种直角顶部安装的短体连接器，可以通孔安装或表面安装。 (图像：Amphenol FCI)

这个USB-C插座连接器最多支持5安培，因此要获得100瓦的功率，需要20伏直流电。然而，对于大多数项目来说，25瓦(5伏特，5伏特)是足够和安全的。该USB-C连接器支持每秒5千兆位(Gbits/s)的USB3.1 Gen 1数据速率，最大额定电压为100伏特DC或AC，根据规格100瓦特，可提供最大1安培的电流。最大功率。

此连接器支持表面贴装或通孔组装，位于印刷电路板的顶部。不锈钢连接器外壳比铝更坚固，并且电气连接到GND引脚。

外壳必须使用四个狭窄的接头接地，这些接头滑入印刷电路板的插槽中，每侧两个连接器。务必使用大量焊料将这些标签焊接到PC电源接地层，以确保连接牢固。

USB-C连接器信号路由

USB3.1高速差分信号必须小心布线，使它们彼此相邻且长度完全相同。保持差分信号的走线尽可能短，以最大限度地降低EMI。为获得最佳抗噪性，请将差分信号放在印刷电路板的内层。如果在外部印刷电路板层上布线，则通过用接地走线包围差分对走线来隔离来自其他数据线的信号。此外，始终在实心接地层上布设差分信号，以最大限度地降低EMI。

设计印刷电路板，使差分走线阻抗为90欧姆±10%，以匹配USB电缆差分阻抗。另外，对每条迹线进行布线，使每对的单端阻抗相同。根据经验，在这种情况下，差分对的阻抗是其中一对阻抗的两倍。因此，应布线，使每个单端阻抗接近或接近45欧姆±10%。

如何安全地路由USB-C电源信号

路由功率信号更为关键。必须小心安全地采购5安培，以防止意外短路到工程外壳或用户。 5安培可以布线在印刷电路板的顶层或底层，但不应太靠近印刷电路板的边缘。这将有助于防止由于外壳的冲击或损坏而导致与项目外壳的意外连接。

要在铜板上安装5个放大器，厚度为每平方英尺2盎司，需要跟踪宽度为44.6密耳。更安全的方法是通过在内部印刷电路板层上布置5安培来隔离电流免受任何外部影响，这需要具有相同铜密度的116密耳的迹线宽度(基于IPC-2221轮廓的计算)。在VBUS连接器引脚附近布置尽可能多的铜，以防止电流损失。

垂直安装的USB-C连接器

如果印刷电路板空间非常宝贵，USB-C插座连接器可以垂直安装。为此，Amphenol FCI具有USB 3.1 10132328-10011LF垂直安装USB-C连接器。

 

 

图4：此垂直安装USB-C连接器来自Amphenol FCI具有较小的印刷电路板尺寸，可用于节省电路板空间。 (图像：Amphenol FCI)

这款垂直USB-C连接器支持10Gbits/s的USB3.1 Gen 2数据标准。它还支持100瓦的功率输出，其最大额定电压为100伏直流或交流电，并且能够提供高达5安培的电流。它具有与直角连接器相同的不锈钢外壳结构。与直角连接器一样，确保外壳上的四个卡舌通过印刷电路板上的孔与大量焊料安全接地。

与直角插座不同，它只是表面安装在连接器的小端，使VBUS电源触点更靠近信号触点。必须仔细布置电源触点远离信号触点。考虑到狭窄的空间，最安全的方法是将数据对和VBUS电源触点放置在不同的印刷电路板层上。

当为上述插座连接器供电时，USB之间有一个简短的握手协议主机和设备决定要提供多少电量。有些IC可以处理USB接收器到源的连接，使得这个过程对开发人员来说是透明的。

STMicroelectronics的STUSB1700 USB-C源控制器就是一个很好的例子。这可以安全地管理5伏USB-C主机到设备连接。在供电时，STUSB1700可以检测并防止电源短路，电流消耗超过设定的极限，过热高于145°C，欠压和过压条件，以及反向电流和反向电压条件。这极大地简化了USB-C系统的安全设计，同时降低了开发人员的复杂性。

 

 

图5：此电路中的STUSB1700采购3安培电源，可独立运行。如果由带有I 2 C接口的可选微控制器管理，则必须添加上拉电阻R3至R10。 (图片：STMicroelectronics)

STUSB1700用于USB-C主机连接器，可以检测主机和设备之间的新连接。它可以确定设备的电源需求并提供必要的电流。它还确定设备是否是数字音频附件，因此它可以向微控制器发出信号，通过USB-C端口提供数字音频。它可以与USB设备协商确定电源是否需要USB默认值(最高900mA)，USB介质(最高1.5安培)或USB高电流(最高3.0安培)。

结论

新的USB-C标准可以轻松安全地为合适设计的设备提供高达100瓦的功率。随着所有智能手机，数码相机，计算机和电子配件标准化在一个易于使用的连接器上，开发人员不必担心使用哪种尺寸和类型的连接器，这也是未来的设计。