Addressing Three Critical Challenges of USB Type-C Implementation

USB技术市场营销经理Morten Christiansen, May. 10, 2016 – 

USB是用于个人和消费电子产品的最为流行的有线连接标准。每年生产的具有USB功能的产品超过20亿台。在 过去的15年内，出现了使USB众多的性能升级，新型USB Type-C™引入了一种可扩展、强健和用户友好的微型 连接器，其势头仍将持续今后的15年。USB Type-C的成功获得首肯；USB Type-C标准已成为采用速度最快的 USB标准，在2014年发布了规范的数月内，就有多种产品问世。

采用USB Type-C连接的产品具有用户接口友好的特点，原因很多。在主机一侧和设备一侧的连接器不存在差 别；通用电缆适合于所有产品；可翻转连接器，并以任何方式插入；插口小，是便携产品的理想选择。此外，USB Type-C电缆通用扩展转接口支持插座/显示可提供明显更低的系统成本，与现有的专用扩展插座相比，复杂性更 低。典型的扩展插座包括，一个DisplayPort中继器和USB集线器，通常用于连接键盘和鼠标，也能支持联网、扬 声器输出和模拟耳机。扩展转接口插座显示配有内置的USB集线器，USB功能也能适用DisplayPort交替模式。 同时，DisplayPort HBR-3比特率可同时支持具有USB 3.0或USB 3.1的4K/60Hz显示。通过在扩展插座或对接 显示设备时增加功率输出，USB Type-C是可用于功率、数据、视频和音频的唯一连接器。

设计人员门正积极忙碌于设计具有USB Type-C支持的新产品和系统芯片。在本白皮书中，介绍了在设计USB Type-C产品以及具有USB Type-C支持的SOC方面所面临和关键挑战和建议的解决方案。

1. 第一项挑战：支持与USB Type-C连接器的一个或另一方位相匹配的双超高速数据通道。
2. 第二项挑战：分离SoC和系统设计，支持具有USB Type-C功能相关产品硬件的多种变体。设计人 员必需了解关于精密模拟电路和高压/高电流开关的规范要求，它们可能是外部分离部件、外部专用 USB Type-C控制器芯片，也可能集成在电源管理IC中或SOC中。
3. 第三项挑战：分离额外的USB Type-C管理软件，所述软件可在主处理器、内部微控制器上执行，或在 电源管理IC中的微控制器上执行，或在外部专用USB Type-C芯片上执行。

挑战1：数据通道实施

USB Type-C连接器是对称的，它复制了大多数信号，使其支持可翻转性，如图1所示。

图1：USB Type-C引出线和旋转对称

对于这类复制，需要支持超高速USB产品的数据通道多路复用器，以及支持交替模式产品的数据通道交叉开关。对于USB Type-C数据通道，设计人员可选择四种实施方案：外部数据通道开关；实施双PHY或双端口；适用内部片上开关；或使用USB-C 数据通道PHY。

外部数据通道开关

外部数据通道开关（或多路复用器，位于SoC或USB芯片集外部 ，请参见图2）常用于支持USB Type-C的商业产品中。现有的高频模拟开关最初是为PCIe、Ethernet、SATA、DisplayPort和其他标准设计的，对其进行重新修改以用于USB Type-C。外部开关解决方案的主要优点在于能够以最快的速度推向市场。其缺点在于成本、PCB面积以及信号质量降低（与具体实施相关）。

图2：关于在基于USB Type-C的端口上实现数据总线路由的逻辑模型

开关中的损失，会影响从USB端口至USB Type-C连接器的总通道损失。对于USB 3.0（正式名称为工作在USB 3.1 Gen1模式下的USB 3.1端口），开关损失（包括丢包）的典型值为1.5dB。对于USB 3.0 Type-C，总通道损失为6.5dB。多出的5dB总通道损失会使从USB端口到连接器的最大PCB路径长度降低至6-7"，具体情况取决于PC的质量和PCB布局。对于某些产品，5dB的通道损失可以接受。然而，对于采用标准A的主机，总通道损失为10dB，对于很多主机实施方案来说，10dB的通道损失都是一项不低的挑战，5dB的通道损失不可能实现。

对于USB 3.1（工作在USB 3.1 Gen2模式下的USB 3.1端口），从芯片到连接器的通道损失是8.5dB。典型的PCB路径距离为4"，但当增加外部开关时，可将PCB路径降至2"或更低。通过采用无内置转接驱动器的外部USB Type-C开关，部分产品可支持USB Type-C（图3）。对于USB 3.0来说，这是恰当的；然而，对于USB 3.1 Gen2模式，所需的转接驱动器为完整的重定时器，它由两个完整的PHY以及大量数字电路构成。对于USB 3.1的成本和功耗，这都会产生不利影响。

图3：USB 2.0操作中的高水平重定时器体系结构实力

双PHY或双端口解决方案

对于支持USB Type-C的SOC，实施双USB 3.0 PHY或USB 3.1 PHY是能够在最短时间内推向市场的解决方案。一个或另一个PHY处于活动状态，这取决于USB Type-C连接器的方位。另一PHY处于低功率状态。无外部数据通道开关，无信号质量损失。即使在具有较大硅面积的情况下，与外部开关或开关加转接驱动器相比，该解决方案的成本更低。

对于多端口USB主机，采用了该解决方案的一种变体：使用两个关于标准A的现有端口，以创建1个USB Type-C端口。在图4中，显示了在2端口USB Type-C主机控制器插件板中，使用的公用4端口USB 3.0主机控制器芯片。对于1个USB Type-C 连接器，采用了两个超高速USB RX和TX对。为保持信号完整性，超高速信号直接从控制器导向USB Type-C连接器。在PCB的可视的一侧能够清楚看到路由布线。两个USB 2.0信号对也从控制器传向USB Type-C连接器。USB 2.0 PCB布线并非很关键，布线在PCB的另一侧上继续，以免干扰超高速USB PCB轨迹的最优路由布线。

USB Type-C规范要求，在连接装置之前不得启用Vbus。在USB Type-C连接器旁边可见到负载开关和大电容。在主机的每一CC插针上具有一个上拉电阻Rp。连接了装置时，装置上的下拉电阻Rd会使1个CC上的电压降低。这样，负载开关就能启用Vbus。在正常情况下，使用CC插针检测来确定方位。在图4显示的该设计方案，无需方位检测。两个端口均处于活动状态，但仅有一个端口会检测装置。另一端口虽处于活动状态但并未被使用。该方法的功率损失较小，对于桌面PC或便携式电脑，这是可接受的。

图4：多端口USB Type-C主控制器PCB

USB Type-C仍是市场上较新的，对于快速推向市场的产品，其利润率较好。适用双Type-C连接器，双PHY/双端口设计取代了4个标准A连接器，在最低成本下，增加了2个Vbus负载开关，使用的电阻和电容更少。

在具有USB Type-C端口的笔记本电脑中，常使用"用于1个USB Type-C端口的2个标准A端口"。典型情况下，芯片集支持多个USB端口。仅使用USB的装置以及双功能产品也采用了双端口方法。如果仅使用1个USB控制器，仍需要方位检测和数据通道开关。然而，数据通道开关位于USB控制器和双PHY之间的数字域内，因而不影响信号质量。

内部片上开关

作为对外部数据通道开关的替代，另一方式是芯片/片上开关。与外部开关相比，该方案的损耗更低，对于10 Gbps USB 3.1 Gen2模式操作尤其有用。然而，实施针对USB 3.1 Gen2模式的片上开关较为困难，这是因为，开关必须补偿非线性频率和相位响应。此外，开关不得允许下述高振幅显示端口、USB TX以及低振幅USB 3.1 RX信号之间的串扰。需要具备阻抗匹配以防止反射。对于无转接驱动器电路的片上开关，仅对USB 3.1 Gen1 （USB 3.0）模式和DisplayPort HBR-2才是可行的。

USB-C PHY

外部开关具有最快推向市场的特性，但会增加成本，双PHY方案使用了过大的硅面积，内部开关仅对USB 3.0才有现实意义。对于SOC集成，推荐的方案是采用单个可靠的USB-C PHY，以降低风险，并将硅面积最小化。

Synopsys宣布了多种采用先进工艺节点、针对USB 3.0和USB 3.1的USB-C PHY产品。DesignWare USB-C 3.1和3.0 PHY均为双通道方案，优点与双PHY方案相同。无模拟开关，信号质量不会降低。根据USB Type-C连接器的方

位，根据需要，某一通道或另一通道将处于活动状态。DesignWare USB-C PHY在两个通道之间共享了大量电路，与双PHY方案相比，在硅面积方面成本十分经济。

挑战2：硬件分割

并非所有的USB Type-C硬件和特性均能集成在单个通用SOC中，因此，对于成本、功耗以及使用相同SOC的面积效率产出，恰当的硬件分割十分关键。

对于ASIC和SOC设计人员，分割事宜始终是需要面临的挑战。在消费电子产品的早期岁月中，这类挑战仅是简单地将部件数目最小化。随着ASIC的演变，芯片组设计人员不得不将完整的系统功能分割成多个设备。SOC的出现可能会一劳永逸地结束分割方面的挑战事宜。然而，很多单芯片SoC并不是单片，而是在单个包上包含多个片，这是因为，将所有功能集成在单芯片SOC中并非可行，或并不经济。

对于单芯片SOC，尤其是在先进工艺节点中，对于高级消费电子产品，其经济性更低。典型情况下，在主SOC中去除了功率、音频和射频电路，原因在于，对于这类功能，使用不是很先进的工艺更为经济。与单芯片方案相比，多芯片方案可能更为经济，这是因为，它能提供额外功能和较高的价格点。

对于其理想的整个系统方案，SOC设计人员需解决复杂的分割挑战事宜。每一设计都有自己的理想方案：低成本、小尺寸、低功率、特性丰富以及高性能。然而，对于大多数解决方案，会在这些选择之间进行平衡。不幸的是，对于某一SOC设计而言的理想选项，对于另一SOC设计并不一定适合。因此，SOC设计人员仍需迎对分割方面的挑战：在单芯片SOC应包含些什么，或应将什么排除在外。

集成PHY --专用USB Type-C硬件之间的对比

对于标准USB实施，模拟音频、UART模式、OTG、电池充电和高速USB组合在USB 2.0 D+/D-插针上。这样，要想使用外部方案，将变得困难，而且并不经济。对于标准USB Type-C PHY，无论采用的工艺是什么，最优USB Type-C PHY方案是将其功能性和USB 1.1、USB 2.0或完整的USB 3.0或3.1 PHY集成在一起。对于USB Type-C硬件集成，关键挑战在于高压/高电流要求的5V电源容差。虽然一些USB Type-C硬件可集成在先进工艺节点内，但也需要外部负载开关，以及可选的Vconn和Vbus监测功能。在SOC上增加管脚、增加外部FET和其他电路会增大成本，与完整的USB Type-C端口控制器芯片相比，该方案的经济性较差。

在解决硬件分割挑战事宜方面，USB Type-C规范为设计人员提供了足够的灵活性。配置通道（CC）管脚用于向主机或装置发送信号，具有电流功能、方位确定和功率输出特性，它们与USB管脚是分开的。通过与CC管脚相连的电路，可实现连接检测，在连接实现之前允许产品禁用USB功能，以便节省电能，在便携式产品中，该点十分重要。电缆中仅有1条CC线。这样，与电缆每一端上CC管脚相连的电路就能确定连接器极性。

功率输出是USB Type-C规范的特性之一，使用它，对于采用使用USB Type-C连接器的产品，可提供高达100W的功率。功率输出消息（PD消息）用以发现电压和电流能力，复用CC管脚。使用PD消息，Vbus电压可从5V增加到12V或20V，电流可从标准USB（500mA或900mA）增加至2A、3A甚至5A。除了功率输出之外，还采用了PD消息来支持动态数据切换，亦即，在USB主机和设备之间进行变换，发现并配置交替模式。

对于USB Type-C产品所需的CC逻辑，在某些时候可将其集成在SOC中。对于高电流能力，功率管理IC（PMIC）中的集成是最佳解决方案。为了最快推向市场，可使用外部芯片实现。

USB Type-C规范为设计人员提供了更多的实施选择。设计人员可针对不同产品类型选择方案，创建最经济、最节能和面积最小的系统解决方案。

USB Type-C端口控制器接口

在USB Type-C端口控制器接口（TCPCI）规范中，定义了用于USB Type-C端口的硬件和低级软件分割，提供了处理硬件分割挑战的解决方案。单独的USB Type-C端口控制器（TCPC）包含用于CC和PD消息功能的所需低级硬件。TCPC可以在SOC外部，可作为外部芯片，集成在PMIC中，或作为集成方案使用在SOC中。

众多供应商发布了数十种USB Type-C支持芯片。在部分芯片中，仅实施了简单的CC逻辑，在另一些芯片中，增加了PD消息功能并包含USB Type-C端口控制器（TCPC）接口，在一些芯片中，甚至还包含微控制器以及作为USB Type-C 软件分割可能解决方案的SW栈。

挑战3：USB Type-C软件分区

第三项挑战是，如何分割与具体产品相关的USB Type-C软件。USB Type-C端口管理器（TCPM）软件可以是操作系统（OS）的一部分，可以是与产品相关的驱动器模块，SOC中的嵌入软件，或外部微控制器的固件。

根据OS厂家，假定无需改变现有的USB软件栈和USB控制器接口，设计人员可采用嵌入式操作系统（OS）以支持USB Type-C以及其交替模式。

相同假设也适用于显示端口或其他交替模式，即使显示端口软件和硬件标准不存在也同样。在交替模式下，允许重新确定USB Type-C连接器上大多数插针的功能，使其适用于MHL、显示端口、或Thunderbolt™ 3（例如），请参见图5。

图5：可交替模式中重新设定功用的管脚

在USB Type-C端口控制器接口和USB Type-C系统软件接口规范中，将高级USB Type-C软件定义为单独的USB Type-C任务，从而使得USB Type-C 更容易实施，也更容易扩展（图6）。无需对操作系统进行大的改动，就能支持多种应用和划分，从而缩短了推向市场的时间。

图6：USB Type-C任务划分和功能

借助TCPCI和USB Type-C系统软件接口规范的特性，在面对USB Type-C软件分割挑战方面可提供多项便利。当将USB Type-C功能置于在软件中时，所述软件在产品开发过程中不断更新，在开发过程中可发现与USB Type-C相关的事宜，从而降低设计和展示风险。

USB Type-C端口管理器

USB Type-C端口管理器（TCPM）是一种软件组件，它能运行在TCPC中的微控制器（MCU）上、PMIC或SOC上。对于很多类型的产品，TCPM也能运行在SOC中的应用处理器上。对于特定类型的产品，可用高级TCPC硬件取代TCPM。例如，USB 3.0设备总会启用设备模式的下拉电阻，检测连接器方向属性，并将信号发送至USB Type-C 数据通道开关。显示端口交替模式产品必需发现交替模式功能，然后恰当地配置交叉开关和USB功能。

解决三种USB Type-C挑战

对于USB 2.0设计，可使用现有的PHY，添加简单的USB Type-C硬件和软件即可。根据具体产品的能力，复杂程度差别很大，从双电阻到可交换电阻和电压比较器，加上对现有USB OTG软件的USB Type-C的支持。

使用Synopsys针对USB 3.0和USB 3.1产品的DesignWare USB-C PHY，可帮助设计人员解决超高速USB和超高速10G数据通道方面的挑战。在USB-C PHY外部，必须添加与具体产品相关的USB Type-C硬件和软件。在将恰当且优

化的TCPC硬件及TCPM软件集成到PMIC或SOC之前，外部TCPC和TCPM产品可提供经济且能快速推向市场的解 决方案。此外，在Synopsys针对高级工艺节点的USB-C 3.1/DisplayPort 1.3 PHY中，采用不会降低信号质量的分线 器、而且不再需要外部转接驱动器。

图7：DesignWare USB-C 3.1 / DisplayPort 1.3 PHY替代了用于USB和DisplayPort的外部交叉开关

USB Type-C端口管理器（TCPM）可在USB旁边的应用处理器和DisplayPort软件栈上执行，如图7所示。此外，还能 将Vconn、Vbus和AUX/SBU开关集成在TCPC芯片内。通过恰当的USB Type-C硬件和软件分割，可降低总的系统成 本，降低实施风险，并加快推向市场的速度。

附加资源

• 文章 : 在高速USB产品中实现USB Type-C
• 文章 : 将现有的USB设计方案转换为支持USB Type-C的连接方案
• Webinar : 设计用于 USB Type-C产品的SOC

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