USB-CTM-MINIDK-EVM开发板教你如何设计可靠的USB PD产品

最新的USB连接器/电缆、功率传输(PD)和协议规范（分别为USBType-C、USBPD3.0和USB3.2）进一步提高了连接器的易用性、USB的数据吞吐量和功率传输能力。然而，那些渴望使用新规范的设计人员却发现自身面临着诸多实施挑战。尤其是新规范支持高电压和大电流，可能会导致不兼容外设损坏，造成电缆、连接器和端口过热。

尚不熟悉USBType-C和USBPD的开发人员，必须设法在具有适当软件接口的受控环境中试验这些新技术。USB芯片供应商已经对此作出回应，推出了配备软件和电路板的评估套件(EK)，其中包括电源、用于连接PC的USB接口以及最新一代的USB芯片。借助这些EK，开发人员可以利用带用户友好界面的成熟设计来获取USBType-C和USBPD的配置经验。此外，这些EK也可用作开发人员原型开发的参考设计。

本文将概述最新USBType-C规范的关键属性，并阐示一些实施难题。另外，还将介绍?ONSemiconductor、STMicroelectronics?和?TexasInstruments?推出的套件，并展示如何使用这些套件来安全探索USB新技术的功能。作为评估套件和评估板基础的集成组件可用于新产品设计，从而提高性能，节省空间并减少元器件数量。

为何要升级为最新USB规范？

将产品升级为最新USB规范的主要原因包括：

便利性更高：USBType-C基于紧凑型可逆插头连接器，更适合现代消费类电子产品的外形尺寸，让消费者使用更便利。

吞吐量更大：USB3.2（于2017年推出，现已统合所有先前的USB3.x规范）数据速率高达20Gb/s。

功率更大：USBPD3.0提供功率高达100W(5Ax20V)，可为平板电脑和便携式计算机快速充电。

USBType-C连接器对于USB3.2第2x2代规范必不可少，今后该标准的新版本将只兼容这类连接器（而不兼容Type-A和Type-B连接器）。该规范定义了24针连接器，即四个+5V接地引脚、两对用于USB2.0数据总线差分信号、四对用于SuperSpeed数据总线、两个“辅助”引脚、用于有源电缆的VCONN?+5V电源，以及用于电缆方向检测和连接管理的通道配置(CC)引脚。请注意，在特定应用中引脚使用有所不同，具体取决于所采用的通信协议和功率传输要求（图1）。

图1：USBType-C24针连接器可反转使用，CC引脚用于电缆方向检测和连接管理。（图片来源：TexasInstruments）

“全功能”USBType-C连接器和电缆支持最快的USB数据速率。例如，使用USBType-C时，设计人员可以选择USB3.2第1代(SuperSpeed5Gb/s)、USB3.2第2代(SuperSpeed10Gb/s)或USB3.2第2x2代(SuperSpeed20Gb/s)协议。请注意，若使用“非全功能”USBType-C连接器和电缆组合，则不适用于最新规范支持的功能。下文只探讨使用全功能USBType-C硬件的设计。

借助USBType-C，设计人员还能充分利用USBPD2.0/3.0供电协议允许的USBPD最高电压和最大电流。自USBPD2.0起，规范定义了5V、9V、15V和20V四个电压电平。此外，电源最大输出功率还支持0.5W至100W之间的任意值，而非USBPD1.0标准的六个固定功率水平。功率超过15W的电源电压为5V和9V，超过27W为5V、9V和15V，超过45W为5V、9V、15V和20V。各种电压和电流组合称作“功率分布”。

尽管功率水平灵活配置具有诸多优势，但该技术支持的高电压和大电流却增大了实施复杂性，并带来若干奇特的设计挑战。例如，USBPD需要新增端口控制器，以协调和实施USBPD功率发布。短时间内，惯用USBType-A的设计人员可能无法适应这些差异，因而导致设计决策不合适或具潜在破坏性的风险增大。

例如，带USBPD的USBType-C系统可通过USBA转C电缆连接至USBType-A端口；USBType-A端口的VBUS?保持在5V左右，而带USBPD的USBType-C端口可在5A下提供高达20V电压。因此，电流将从VBUS?电压较高的端口流向另一端口，但是许多USBType-A端口功率开关不具备反向电流保护，因而可能会因高电压而损坏。（有关USBType-C和USBPD设计的更多信息，请参见Digi-Key文章“USBType-C设计和使用功率传输进行快速充电”。）

USBType-C复杂性管理

USBType-C和USBPD可通过可配置的电缆、接口和功率设置实现多功能性。USBType-C连接器使用CC引脚进行电气检测和连接配置。USBType-C端口可以作为仅主机、仅设备（以传统USB主机和设备运行）或双角色端口(DRP)；主机是下行端口(DFP)，设备是上行端口(UFP)。

USBType-C的其他优势包括：

双角色端口可重新配置。例如，便携式计算机通过显示器充电时可作为UFP，而为微型风扇供电时可作为DFP。

可根据需要配置VCONN，以确定VBUS?使用USBType-C标准电源或USBPD。

支持可选的备用和配件模式。

使用端口控制器与PD控制器配合协调电源要求和方向，例如不会用智能手机等电池容量不大的设备为便携式计算机等大功率设备供电。端口控制器通常包括嵌入式微控制器，因而无需外部设备来监控电力交易。

为了有效管理复杂性并确保设计成功，USB芯片供应商推出评估套件，为设计人员提供经优化的受保护电路进行试验，评估配置以选择最适合应用的USBType-C和USBPD。例如，ONSemiconductor的?STR-USBC-4PORT-200W-EVK?是一款200W、四端口USBType-CEK。该套件具有多个输出电压，分别为5V、9V、15V和20V，最大电流为5A，每个端口的最大输出功率为100W，开发人员可藉此探索USBPD3.0的功能。由于受电源限制，该EK四个端口的最大总输出功率为200W。