USB Type-C 电力传输威廉希尔官方网站 设计

USB Type-C™ 规范引入了通过 USB 提供可扩展电力传输的新选择，但该规范错综复杂，开发人员面临着安全和布局问题。

本文将介绍 USB Type-C（也称为 USB Type-C）插座解决方案，并指导开发人员如何在新设计中集成和布设这些 USB Type-C 插座连接器，以便为外部设备安全地提供可扩展 USB 电源。

USB Type-C 简介

最初的 USB 1.1 标准规定最大电流为 500 毫安 (mA) @ 5 V（2.5 W），USB 2.0 允许的最大电流相同。而 USB 3.1 规范有所改变，其允许最大 900 mA 的电流。所有这些标准都使用常见的矩形 USB 连接器。但是，随着 USB 变得无处不在，其应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加。

这些需求促成了 USB Type-C™ 标准的发展。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。纵观其历史，USB 一直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：无论用户如何插入该极化连接器，总是插反（图 1）。即使以正确的方向插入，该连接器也可能无法正确就位，导致需要不断地颠倒连接器并重新插入。

鉴于极化 Type-A 连接器的大尺寸，为了更容易地集成在小型消费类设备上，开发人员开发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。即使是这些连接器，对于开发人员和用户来说也有与 Type-A 相同的方向问题。

新型 USB Type-C 连接器（图 1 右下方）仅略大于 Android 智能手机和物联网 (IoT) 设备上的 USB micro-B 连接器。它同时取代了计算机（主机）和设备连接器，从而只需一条线就可以连接各种设备。此外，USB Type-C 连接器没有锁扣且没有首选方向，无论如何插入，都可实现稳固连接。

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，并且在新设计中推荐使用这种方式。但是，对于低数据速率设计，该连接器也可仅用于 USB 2.0。

观察 USB Type-C 连接器插座的引脚排列，四个接地引脚 (GND) 布置在连接器的外侧（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。中间是两对标准 USB 2.0 双向数据引脚 D+ 和 D-，它们对于所有 USB Type-C 数据传输应用都是必需的。USB 3.1 具有独立的高速数据发送和接收路径，接收引脚 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，本文不做介绍。

在这种背景下，重要的是 USB Type-C 连接器标准规定的最大传输电流高达 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 连接器可以提供高达 100 W 的功率（20 V，5 A）。该功率由四个 VBUS 引脚输出。这使 USB 接口从辅助电源成为主电源。

实施 USB Type-C 连接器设计可能会非常棘手

若要在项目中支持高达 100 W 的功率，需要谨慎执行威廉希尔官方网站 板布局步骤，确保用户和开发人员的安全。大多数项目都不需要如此高的功率；例如，对于电流非常高的智能手机充电器，其额定电流可能为 3.0 A。但是，多数商用 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 5 A 的电流，因此，100 W 的输出将需要 20 V DC。但是，对于大多数项目而言，25 W（5 V，5 A）就足够并且还安全。该 USB Type-C 连接器支持每秒 5 千兆比特 (Gbit/s) 的 USB 3.1 Gen 1 数据速率，最大额定电压为 100 V DC 或 AC，根据 100 W 最大功率规格，可提供最大 1 A 的电流。

该连接器支持表面贴装或通孔组装，其位于印刷威廉希尔官方网站 板的顶部。不锈钢连接器外壳比铝更坚固，并且通过电气连接至 GND 引脚。

外壳必须使用四个窄卡舌接地，而卡舌会滑入印刷威廉希尔官方网站 板的插槽内，连接器每侧各两个。务必使用大量焊料将这些卡舌焊接到威廉希尔官方网站 板电源接地层，以确保牢固连接。

USB Type-C 连接器信号布线

USB 3.1 高速差分信号必须仔细布线，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，请将差分信号置于印刷威廉希尔官方网站 板的内层。如果在印刷威廉希尔官方网站 板外层上布线，则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，务必在实心接地面上布设差分信号，以最大限度地降低 EMI。

设计印刷威廉希尔官方网站 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。另外，每条走线的布设方式要使每对的单端阻抗相同。一般说来，在这种情况下，差分对的阻抗是其中一对阻抗的两倍。因此，布设走线时应使每个单端阻抗等于或接近 45 欧姆 ±10%。

如何安全地布设 USB Type-C 功率信号

布设功率信号更为关键。为防止与项目外壳或用户发生意外短路，必须小心谨慎，确保安全地输出 5 A 电流。该电流可以布设在印刷威廉希尔官方网站 板的顶层或底层，但不应太靠近印刷威廉希尔官方网站 板的边缘。这样有助于防止由于项目外壳受冲击或损坏而导致与外壳意外连接。

要通过厚度为每平方英尺 2 盎司的铜覆层在印刷威廉希尔官方网站 板上提供 5 A 的电流，需要 44.6 密耳的走线宽度。更安全的方法是通过在印刷威廉希尔官方网站 板内层布设 5 A 电流，以隔离电流免受任何外部干扰，这需要在相同铜密度下使用 116 密耳的走线宽度（基于 IPC-2221 标准计算）。在 VBUS 连接器引脚附近的覆铜应尽可能多，以防止电流损失。

垂直安装 USB Type-C 连接器

如果印刷威廉希尔官方网站 板空间非常宝贵，可以垂直安装 USB Type-C 插座连接器。为此，Amphenol FCI 提供了 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，其最大额定电压为 100 V DC 或 AC，并且能够提供高达 5 A 的电流。该产品采用与直角型连接器相同的不锈钢外壳构造。如同直角型连接器，需使用大量焊料确保外壳上的四个卡舌通过印刷威廉希尔官方网站 板上的孔实现安全接地。

与直角型插座不同的是，它只是表面贴装在连接器的小端，使 VBUS 电源触点更靠近信号触点。其中必须谨慎布设电源触点，使其远离信号触点。若空间狭窄，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威廉希尔官方网站 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，决定了提供多大的电源。IC 可以处理 USB 灌入至拉出连接，使得这个过程对开发人员来说是透明的。

STMicroelectronics 的 STUSB1700 USB Type-C 源控制器就是一个很好的例子。这可以安全地管理 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、电流消耗超过设置的限值、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。这极大地简化了 USB Type-C 系统的安全设计，同时为开发人员降低了复杂性。

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提供必要的电流。此外，还可确定设备是否为数字音频附件，以便可以向微控制器发出信号，通过 USB Type-C 端口提供数字音频。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）还是 USB 高电流（最高 3.0 A）。

总结

新 USB Type-C 标准可以轻松安全地为设计适当的设备提供高达 100 W 的电力。随着所有智能手机、数码相机、计算机和电子配件都标准化为一种易于使用的连接器，开发人员不必再为使用哪种尺寸和类型的连接器而烦恼，这也是不会过时的设计。