自从通用串行总线(UniversalSerialBus，USB)在苹果公司(AppleiMacG3)电脑上首次亮相以来，已经过去了20年，计算机和外围设备的连接方式发生了根本性的变化。在此期间，该标准通过各种迭代发展到最新版本-USBType-C-该版本再次承诺对我们连接计算机和外围设备的方式进行根本性的改变。

虽然USB-C是相对较新的，但有迹象表明，新标准将有大量的吸收和销售。市场研究公司IHS预测，今年将有5亿台USB-C设备上市，到2019年将迅速增加到20亿台。

USB-C的消费者好处包括高速数据传输、充电和供电设备以及可翻转的连接器可用的更多电源，使得插入比以往任何时候都更简单。在这篇技术文章中，东芝电子欧洲公司将讨论如何为消费者提供方便，给设计师带来挑战，并探讨一些进入市场的解决方案。

USB-C型

提供一种小型的、多功能的连接方案，基于双向电缆和不键可翻转的连接器，连接主机和外围设备，取代老式的A型和B型连接器和电缆。数据速率为10 Gbps，符合超高速USB 3.1和USB电源传送(USBPD)规范，使电源容量增加到100 W。然而，这些进步需要仔细选择电源和数据交换的关键部件以及接口保护。

增加充电装置的功率

USBPD允许设备通过USB连接充当电源或用户。它指定10W，18W，36W，60W和100 W的轮廓，在5V到20V的电压下工作，电流高达5A。在连接以默认的5V/2A模式启动后，需要电源协商的设备，从而确保了旧的USB2.0设备的安全。

图1.USBPD规范包含高达100 W的电源配置文件。

USBPD允许对外围设备进行更快的充电，并允许智能手机、平板电脑和笔记本电脑等设备通过USB连接供电，从而减少了对电源适配器的需求。主显示器可以通过USB-C为笔记本电脑供电，充当外部HDD等外围设备的集线器，还可以接收和显示来自笔记本电脑的视频信息。在这种情况下，只有监视器需要一个交直流电源适配器，从设置中删除成本和批量。

高速数据和灵活性

在USB-C中，在8.4mm x 2.6mm的形状因子中，包含一个0.5mm螺距上的24个引脚的单一插头和插座的定义意味着可以使用无方向电缆，允许电源和数据向任一方向流动。

USB-C插头是非极化的，可以任意插入.此外，USB-C的物理层接口包含两个数据对(D+/D-)，保持与USB2.0的向后兼容性，同时支持USB3.0和USB3.1的10 Gbps速率，并为未来提供20 Gbps的能力。

图2.USB-C型连接器引脚名称

USB-C电缆可以通过适配器容纳传统的USB类型-A/B、Mini-USB和Micro-USB连接器，因为新标准与USB2.0电兼容，同时满足USB 3.1和PD规范。附加配置通道(CC)引脚阻止地雷电缆方向，并允许PD协商。

通过替代模式，诸如DisplayPort、HDMI、MHL、Audio和Thunderbolt等标准都可以通过USB-C交付，从而允许将一种电缆类型用于多种用途。

USB-C设计中的挑战

在USB-C中有三个主要的改进领域，每个领域都带来设计挑战:

USBPD的包含要求电源开关能够承受至少20V，同时具有较低的导通电阻，以尽量减少功率损耗和热负荷。

高速收发器容易受到静电放电(ESD)的影响，需要在数据线上进行外部保护，这种保护通常由瞬态电压抑制(TVS)二极管完成.然而，极端10 Gbps的数据速度意味着在电视终端电容之间进行权衡，以避免数据失真和可用的ESD保护水平。

新的可逆连接器接口要求切换设备，以确保数据流根据连接器插入映射，同时保持高速数据传输。

解决电力输送挑战

一个简单的双MOSFET功率开关可以实现与P通道MOSFET，如东芝的SSM6J50xNU系列+20/-25V VGSS，不需要一个驱动器IC。该设备可用于任何USBPD配置文件，并提供低至19mΩ的RDS(ON)，确保以最小的热产生和电压降高效运行。

图3.简单的双MOSFET功率开关解决方案

或者，可以使用集成负载开关，如东芝的TCK30xG28V设备。这是一个非常紧凑的解决方案，内置保护功能，包括集成热关机，欠压锁定，可调过电流保护，和过电压保护。

除了开关IC的低通阻外，还集成了USB-C应用中的宝贵功能。这包括最多3.0A的可调过流保护(由单个外部电阻器设置)和可调旋转速率(由外部电容器决定)。这种功能的结合使TCK30xG系列成为USB充电到Profile 3的最紧凑的解决方案。

最有效的功率解决方案是使用带有外部驱动IC的离散N沟道MOS-FETs.东芝的TCK40xG系列驱动芯片可以承受40V，并有内置的充电泵，为外部N沟道MOSFET提供栅极驱动电压。这个外部MOSFET可以提供一个小封装中最低的RDS(ON)，比如SSM6K513NU，它在2x2mm封装中只额定为8mΩ。在试验中，当模拟轮廓5(100 W@5A)时，该装置比竞争者的方法低16°C。

In terms of space, the dual N-channel MOSFET plus TCK40xG solution requires 15mm2 while the dual P-channel MOSFET driven from the open drain output of the charger IC requires 10mm2. The integrated TCK35xG solution is significantly smaller at 2.3mm2

但确实降低了业绩。

保护和切换解决方案

除了有效的电源开关解决方案的设备之外，电力线还需要保护，这可以通过东芝的新的DF2SxxP二极管系列来实现，该线路中的二极管能够保护VBUS线路不受浪涌的影响，因为它们在紧凑型封装中提供了高达±30 kV的接触放电保护，并且允许5-20V之间的VBUS电压，使它们成为所有剖面的理想选择。

图4.采用控制器和离散MOSFET的高效USB-C电源解决方案

此外，在保护数据线时，必须满足IEC-61000-4-2的要求，同时不要过度地扭曲数据信号.这可以通过TVS二极管来实现，如单个DF2B5M4SL(0.2pF)或DF5G5M4N阵列，它们可以为两个信号对(RX1+/RX1-，TX1+/TX1-)提供保护。

总线交换机(如TC7PC13212MT)是切换数据路径以匹配连接器方向的理想设备，并且将保持高达10 Gbps的完全数据完整性。

摘要

USB-C显然是在方便用户方面向前迈出的重要一步，为用户提供了额外的电源并增加了电缆的简单性。然而，这给设计人员带来了挑战，他们必须应对更大的电流、更高的电压和切换数据路径。

幸运的是，东芝提供了多种产品来简化这项任务，包括几个电源管理选项，包括最大限度地简化和节省空间的完全集成设计，以及最终效率的离散设计。

此外，总线开关允许方便地管理数据路径，而先进的电视二极管保护数据线不受ESD影响而不引入信号失真。

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