USB Type-C設計優(yōu)缺點解析

　　新推出的可正反向插接的USB Type-C連接器向使用者保證可減少插接USB設備時的麻煩——不論插頭以何種方式插入，連接都應該有效工作。

　　USB Type-C也對如下技術提供支持：數(shù)據速率高達10Gbit/s的USB 3.1規(guī)范、高達100W的功率輸出、音頻多路復用，以及可處理諸如與DisplayPort或MHL等視頻信號的切換模式。

　　因此，數(shù)以百計的供應商正在推出支持USB Type-C的產品就不足為奇了。事實上，來自從連接線纜到筆記本電腦等許多領域的一百多家供應商參加了于2015年7月舉行的第一屆USB Type-C互連互通性測試，以對其產品和原型的互操作性進行了測試。

　　盡管目前業(yè)界已與USB打了幾十年的交道，但實現(xiàn)Type-C連接仍然帶來了諸多新的挑戰(zhàn)。例如，當以10Gbit/s的數(shù)據速率運行時，數(shù)據線上的電壓擺幅是低于0.5V的。設計者需要在連接接收端的物理層（PHY）里實現(xiàn)均衡器，來獲取輸入信號，這時，該信號眼圖中的“眼睛”基本是閉合的，而需要實施必要的均衡以使信號眼圖中的“眼睛”張開，同時，顯示信號代表的是邏輯0或者邏輯1。

　　在實現(xiàn)Type-C連接時仍有許多其他挑戰(zhàn)，尤其是在USB 3.1規(guī)范以10Gbit/s的全數(shù)據速率工作時最甚。

　　重新考慮PHY

　　例如，連接器的可正反插接特性需要在實現(xiàn)中對物理層進行重構。當以USB 2.0數(shù)據速率運行時，設計者可通過使用一對電阻去短接進入物理層的兩條數(shù)據通路，從而去明示連接器以何種方式被插接。在較低的USB 2.0數(shù)據速率上，物理層擁有足夠的性能裕量來處理短接數(shù)據通路所引發(fā)的反射。

　　對于USB 3.0和3.1數(shù)據速率而言，設計者需要實現(xiàn)兩條數(shù)據通路，以處理更高的速率。通過一個方向上的連接器，系統(tǒng)連接到一條數(shù)據通路上，同時在另一個方向上，系統(tǒng)連接到另一條數(shù)據通路上。雙數(shù)據通路是必要的，因為以5Gbit/s和10Gbit/s數(shù)據速率傳輸時，通過短接數(shù)據通路來明確方向，將會引發(fā)太多的信號反射，從而使數(shù)據分解。

　　設計者需要決定如何解決這個問題。一種解決方案是使用兩個物理層，每個方向有一個物理層。雙物理層解決方案的缺點是會占用20%到25%的額外面積，來實現(xiàn)兩條超高速（SuperSpeed）數(shù)據通路和兩條高速（Hi-Speed）數(shù)據通路，而且需要兩組鎖相環(huán)電路（PLL）及兩組電源、接地和數(shù)據引腳。最終結果是一個系統(tǒng)擁有的高速（High-Speed）數(shù)據通路比其實際需求多出一條。

　　一種更高效的實現(xiàn)方法，是使用一個已經針對USB Type-C規(guī)范優(yōu)化過的物理層，其擁有兩條超高速（SuperSpeed）數(shù)據通路、一條高速（Hi-Speed）數(shù)據通路、一組鎖相環(huán)電路以及一組電源、接地和數(shù)據引腳。

　　設計者選擇何種實現(xiàn)方法取決于他們的最終應用。成本敏感類市場將選擇節(jié)省面積和芯片，可通過省去一條額外的Hi-Speed數(shù)據通路以及減少高達40%的引腳數(shù)量來實現(xiàn)。

　　USB Type-C信令

　　實現(xiàn)USB Type-C的第二項挑戰(zhàn)是24引腳連接器所要求的信號復雜性。USB Type-C規(guī)范明確了配置通道（CC）信號和功率輸出（PD）信號以定義各項參數(shù)，例如連接器的方向，任何插入Type-C端口的電線可以承載多大的功率，以及連接器何時是為音視頻而處于切換模式。

　　同時支持配置通道信號與功率輸出信號要求附加的邏輯：功率輸出消息控制器和配置通道邏輯。設計挑戰(zhàn)的一部分是處理可能發(fā)生在不同電壓上的兩種信號，這取決于當時工作的信號組合。

　　Type- C規(guī)范也摒棄了USB On-The-Go概念，而是以Dual Role Port概念取而代之。USB On-The-Go是一種信令方式，用于表明一個端口是被用作主機還是被用作設備。On-The-Go協(xié)議使用ID引腳發(fā)出信號來通知端口在工作時擔任主機還是設備；但是Type-C并沒有這個信號，所以要使用功率輸出消息信號來完成這項工作，這使PD信號的實現(xiàn)進一步復雜化。

　　系統(tǒng)性問題

　　Type-C連接器可以使USB用戶的生活更加便利，但付出的代價是使設計者的工作變得更加復雜。設計者將不得不決定他們想要的是支持USB 2.0、3.0和/或3.1中的哪一個，怎樣處理功率輸出，以及是否支持音視頻可切換模式。

　　USB Type-C的實現(xiàn)還會有系統(tǒng)方面的影響。例如，倘若SoC打算支持功率輸出方面的功能，設計者可以選擇使用一種滿足所有相關安全條件的外部電源管理芯片。這意味著將分割功率輸出和配置通道邏輯，也許在物理層和一塊單獨的電源管理芯片，或主系統(tǒng)CPU甚至一個專用的外部微控制器之間分割。

　　Synopsys 全面的USB控制器和物理層IP產品組合，已經被3000多項USB設計成功采用，并且已經通過約30億只已發(fā)貨的器件加以驗證。這就是深入而直接的設計經驗，使我們能夠開發(fā)特別為與Type-C連接器共同使用而優(yōu)化的USB 3.1 物理層IP，以及為了實現(xiàn)Type-C功能所必需的支持工具和驗證環(huán)境——這使得設計者的工作更加簡便。

　　本文作者：Synopsys USB PHY IP高級產品營銷經理 Gervais Fong