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USB Type-C设计:BOM中不容忽视的三个细节
文章来源:永阜康科技 更新时间:2017/8/21 11:44:00

USB Type-C设计:BOM中不容忽视的三个细节

只要问“度娘”,就会知道现在USB Type-C有多火。支持单通道10Gbps的传输速率、高达100W的功率传输能力、兼具数据和视频传输能力、无方向的正反插结构——这些特性让USB Type-C堪称史上最“强”的接口。据IEK的估计,2019年USB Type-C产品的出货量将达到50亿。

在惊艳于USB Type-C的强大之余,如果你想设计出禁得住用户推敲的产品,还需要在元器件选型时多关注一些设计细节。所谓“细节决定成败”,这会让最终你的BOM清单更漂亮。

细节一:静态电流

待机功耗是衡量电子产品的重要指标,它主要是由产品中芯片等有源器件待机休眠时的静态电流决定的。在以往的USB产品中,大家对这个指标并不敏感,但到了USB Type-C时代故事发生了变化。

这是因为Type-C系统的电路更为复杂,这也就意味着要消耗更多的电能。比如Type-C为了更为“智能”,专门配置了CC通道,用于检测插头的方向,还担负着USB PD功率传输的协议通信职能。实现这些功能Type-C控制器芯片需要更强大的MCU内核支持,可是这句话的潜台词是“也会消耗更高的静态电流”——毫安级的静态电流。好消息是芯片厂商已经意识到了这个问题,比如TI的Type-C 控制器TPS25810在没有器件连接时的静态电流典型值可低至0.7µA。

随着各国能源标准日益严苛,开发者对各个器件的功耗可谓是锱铢必较,如果没有选对USB Type-C的控制芯片,可能会给你带来额外的麻烦。所以在看Datasheet时,这个细节一定要注意。

细节二:电路保护

缺乏经验的开发者在设计产品时,往往容易执着于功能性而忽视了可靠性,这实际上会影响到产品的“容错”能力,进而影响到用户体验甚至是安全。具体到USB Type-C,热插拔、短路、用户误操作、故障设备以及ESD等引发的问题,都需要有效的电路保护措施来化解。

一般来说电路保护包括过流保护和过压保护。具体到Type-C保护电路的设计,会有一些特殊的约束条件,比如说更高的集成度。以过压保护为例,USB Type-C为了实现无方向正反插,在物理结构上设计了两排对称的引线,这使得需要过压保护的数据通道达到16条,包括四组10Gbps高速数据收发通道(SSRX+/ SSRX -,SSTX+/ SSTX -)、两组480Mbps USB 2.0数据通道(D+/D-),以及两组USB-PD协议通信的专用通道(CC+/CC-)。图1是Bourns公司的过压保护方案,整个方案只用到了两个6通道TVS阵列(CDDFN10-0516P)和一个4 通道 TVS阵列(CDDFN10-0524P),可见选择小型化、高集成的器件是“王道”。

图1,Bourns公司利用高集成度的TVS阵列实现USB Type-C的过压保护。

图1,Bourns公司利用高集成度的TVS阵列实现USB Type-C的过压保护。

此外,伴随Type-C应用扩展的还有“过温保护”这个新名词。由于Type-C的体积小而承载的功率却高达100W,所以一旦电缆接口端有灰尘、汗液、水等异物污染,很容易造成内阻的增加,进而引发过热甚至是发烟、失火。这让过温保护变得十分必要,比如NXP用于Type-C的负载开关器件中就集成了过温保护的功能。Bourns则提供了两种方案:一种是采用mini-Breaker 控温器件,作为一个可恢复器件,其在温度过高时触发,而在电源被切断或温度回到安全水平时自恢复;另一种是温度触发的可恢复保险丝P-TCO方案,其特点是体积更小,成本更低。随着相关安规的完善,了解更多过温保护器件的知识,会成为USB Type-C产品开发者的必修课。

细节三:连接器

不要认为连接器的选择与那些关键的芯片相比“无关痛痒”,往往这些貌似“边缘”的部件会让你在距离“完美”终点只剩一米时倒下。在用户面前,高品质的连接器未必会给你带来更多加分,而品质不佳的连接器给用户体验造成的伤害,则会抹杀掉你之前所有的积分。

表1中以Foxconn高品质的连接器为例,对比了其与普通连接器的差异,以及它可以带给用户什么样的体验。在BOM中给连接器多留一些可以盘桓的空间,事实将会证明是值得的。

表1,高品质连接器与普通连接器比对

表1,高品质连接器与普通连接器比对

 
 
 
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