USB Type-C 消除了傳統(tǒng) Type-A 和 Type-B 插頭的限制，并為 USB 和其他協(xié)議帶來了一系列好處。例如，USB Power Delivery 2.0 和 USB 備用模式使 USB Type-C 能夠取代顯示器、電源和其他獨特的電纜。不久之后，USB Type-C 可能成為電子設(shè)備唯一可用的標(biāo)準(zhǔn)連接器。

從設(shè)計的角度來看，這意味著什么？設(shè)計人員將需要知道如何滿足新興規(guī)范，并解決供電和驗證問題。所涉及的挑戰(zhàn)可能很大，但可以通過正確的設(shè)計技術(shù)進(jìn)行管理。

一根電纜，多種功能

從 2015 年開始，USB Type-C 取代了所有 USB 連接器。在不久的將來，人們可能會使用一種主要類型的電纜為所有電子設(shè)備供電和充電，并將它們連接到顯示器、音響系統(tǒng)、打印機(jī)和其他外圍設(shè)備。USB Type-C、USB Power Delivery 2.0 和 USB 備用模式使這種統(tǒng)一且無處不在的功能成為可能。

USB Type-C 具有幾個關(guān)鍵特性：

支持雙向插入的可逆插頭；換句話說，主機(jī)和設(shè)備連接器是相同的

支持更高的數(shù)據(jù)速率，USB Type-C 3.1 Gen2 高達(dá) 10 Gbps

通過支持 USB Power Delivery 2.0 規(guī)范，提高功率，最高可達(dá) 100 W

提供雙向性，以便設(shè)備可以提供和消耗電力

支持可擴(kuò)展的電源充電，這意味著功耗可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要動態(tài)變化

最終可以使用 USB 備用模式替換所有其他連接器

到目前為止，DisplayPort、MHL 和 PCI Express 規(guī)范都支持 USB 備用模式。這些模式還包括通過音頻附件、智能手機(jī)功能擴(kuò)展（未壓縮視頻接口和高速雙向數(shù)據(jù)）和擴(kuò)展塢應(yīng)用程序（充電）的數(shù)字音頻。更多的規(guī)格肯定會隨之而來。雖然這種變化對消費者來說是個好消息，但從設(shè)計和驗證的角度來看，它確實帶來了一些挑戰(zhàn)。

USB Type-C 設(shè)計要求和挑戰(zhàn)

USB Type-C 具有特定的設(shè)計要求（圖 1）：

配置通道 （CC） 引腳上的上拉、下拉電阻

在 VCONN 提供供應(yīng)的能力

連接和標(biāo)記電纜檢測、冷插座和 VCONN 控制電路

為 CC 引腳提供 VCONN/Rp 的開關(guān)（面向下游的端口 （DFP））

控制關(guān)閉/打開 VBUS 的電源

切換將 SS_TX/SS_RX 連接到 TX1/RX1 或 TX2/RX2

圖 1： USB Type-C 功能模型。

每個 USB 規(guī)范——Type-C 連接器和電纜、Power Delivery 2.0 和備用模式——都可以單獨實施；然而，當(dāng)結(jié)合使用這些互補的規(guī)范時，設(shè)計師將獲得更多的價值。因此，設(shè)計人員可以為 USB Type-C 開發(fā)單芯片解決方案。它們還可以匯集多種協(xié)議；例如，一個設(shè)計可以為 USB 和 DisplayPort 規(guī)范實現(xiàn)一個通用的 SERDES。并且，同一控制器/堆棧下可以支持 Power Delivery 2.0 和備用模式。由于所有這些新的和不同的部分及其復(fù)雜的依賴關(guān)系，系統(tǒng)驗證可能是一個巨大的挑戰(zhàn)。需要考慮新級別的集成層次結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)接口的對齊和集成，

從 PHY 設(shè)計的角度來看，也存在挑戰(zhàn)。采用不同的協(xié)議——包括即將到來的協(xié)議——需要一定程度的靈活性。然而，設(shè)計人員可能用于解決相關(guān)挑戰(zhàn)的設(shè)計技術(shù)可能會使驗證更加復(fù)雜。遵守多種協(xié)議需要支持大電氣規(guī)范范圍的 PHY，尤其是在均衡方面，如 CTLE 或 DFE。這反過來又要求優(yōu)化單個設(shè)計以提高面積和性能效率，例如通過單個模擬 PHY。

采用更小的工藝來獲得數(shù)字優(yōu)勢對設(shè)計可以使用的電源電壓類型以及可用于滿足電氣要求的設(shè)備類型提出了嚴(yán)格的限制。例如，在 28 nm 及以下節(jié)點，標(biāo)準(zhǔn) SoC 或 IP 供應(yīng)商僅選擇低于 1 V 的內(nèi)核設(shè)備和 1.8 VI/O 設(shè)備以具有競爭力。因此，在現(xiàn)有裸片中支持 3 V 及以上電壓成為一大瓶頸，除非使用多 vt 和昂貴的附加掩模組。最大限度地降低成本并支持此類平臺需要許多電路技術(shù)來規(guī)避與電氣過應(yīng)力相關(guān)的可靠性問題。

除了這些設(shè)計挑戰(zhàn)之外，驗證也更加復(fù)雜。通過改進(jìn)的測試用例和更好的 DFT 方案，可以提高覆蓋率。然而，在查看多協(xié)議選項時，驗證周期會減少，而不是一次考慮單個協(xié)議。

在這里，先進(jìn)工藝方面的經(jīng)驗會有所幫助，特別是如果設(shè)計人員已經(jīng)處理過較低的電源電壓、較小設(shè)備的功耗和互連中的寄生 RC。除了技術(shù)方面的考慮之外，任何設(shè)計項目都存在通常的成本和上市時間壓力。

預(yù)先驗證的 IP 如何提供幫助

克服這些設(shè)計和驗證挑戰(zhàn)需要什么？預(yù)先驗證的 IP 確實不會出錯，這有助于簡化設(shè)計工作并縮短周期。以下特性和功能在 USB Type-C 的 IP 中最有用。

首先，設(shè)計應(yīng)集成 Type-C 連接器和電纜規(guī)范所需的所有功能，即 CC 邏輯，以及可選的多路復(fù)用器，以實現(xiàn) Type-C 連接器帶來的所有好處，例如雙向性電纜、連接器翻轉(zhuǎn)和簡化的 DFP/UFP 角色識別。

要為設(shè)計帶來靈活性，請尋求能夠支持 USB、DisplayPort 以及任何其他現(xiàn)有和新興協(xié)議的單一 PHY。多通道支持的額外好處將允許最大的設(shè)計靈活性，同時也減輕庫存管理的復(fù)雜性。要解決跨功能、軟件和電氣規(guī)范的多個標(biāo)準(zhǔn)，請尋找已經(jīng)集成并符合相關(guān)規(guī)范的子系統(tǒng) IP，以確保兼容性。

電源管理是 USB Type-C IP 的另一個關(guān)鍵考慮因素。對于此類設(shè)計，IP 必須能夠處理各種功率，并能夠與高達(dá) 100 W 的外部電源管理 IC 和高達(dá) 15 W 的 3 A over 5 V 的內(nèi)部電源管理 IC 通信，如USB Type-C 電纜和連接器規(guī)范的中電流和高電流模式。

為什么 IP 子系統(tǒng)方法是一個好主意

如果沒有必要，為什么要使用單個組件？選擇這條路線意味著要花時間確保組件經(jīng)過驗證并且可以很好地協(xié)同工作。相反，設(shè)計人員可以通過為 USB Type-C 實施預(yù)先驗證、預(yù)先集成的 IP 子系統(tǒng)來進(jìn)一步簡化他們的工作。

理想的子系統(tǒng)應(yīng)包含關(guān)鍵組件，例如用于 USB 和其他可用規(guī)范的控制器、多協(xié)議 PHY，以及與外部供電堆棧接口的方法（圖 2）。子系統(tǒng)方法可以節(jié)省時間和精力，并比單個組件提供更好的性能和更低的功耗。這還允許設(shè)計人員配置端口、插槽以及其他主機(jī)和設(shè)備功能的數(shù)量。

圖 2： USB Type-C/DisplayPort 子系統(tǒng)。

USB的未來

USB Type-C 很可能成為電子設(shè)備的主要連接器規(guī)范。由于這些類型的設(shè)備對成本和時間很敏感，在設(shè)計中實施 USB Type-C IP 子系統(tǒng)有助于更快地將產(chǎn)品推向市場，從而更好地滿足預(yù)期的性能和功率目標(biāo)。

審核編輯：郭婷