自從通用串行總線（USB）在Apple iMac G3計算機上首次亮相以來已有20年，它開始了計算機和外圍設備連接方式的根本改變。在此期間，該標準已通過各種迭代發展到最新版本 - USB Type-C - 再次承諾對我們連接計算機和外圍設備的方式進行根本性改變。
雖然USB-C相對較新，但有跡象表明新標準將有很大的發展和銷售。市場研究公司IHS預測今年將有5億臺採用USB-C的設備出貨，並在2019年迅速增加到20億臺設備。
USB-C的消費者優勢包括高速數據傳輸，更多可用於充電和供電設備以及可翻轉連接器的功率，使插頭比以前更簡單。在這篇技術文章中，東芝電子歐洲公司將討論如何為消費者提供便利，為設計師帶來挑戰，並研究一些進入市場的解決方案。
USB Type-C（https://eepower.com/integrated-circuits/2017/06/first-usb-type-c-load-switch-946）提供小型多功能連接方案，基於雙向電纜和連接到主機和外圍設備的無鍵可翻轉連接器，取代舊式A型和B型連接器和電纜。10Gbps的數據速率與SuperSpeed USB 3.1相匹配，並且集成了USB電源傳輸（USB PD）規範，將功率容量提高到100W。但是，這些進步需要仔細選擇電源和數據切換以及接口保護的關鍵組件。
增加為設備充電的能力
USB PD允許設備通過USB連接充當電源或消費者。它規定了10W，18W，36W，60W和100W的額定值，工作電壓在5V和20V之間，電流高達5A。在默認的5V / 2A模式下連接啟動後需要電源協商的設備，從而確保舊USB2.0設備的安全性。
圖1. USB PD規範包含高達100W的電源配置文件
USB PD可以更快地為外圍設備充電，並允許智能手機，平板電腦和筆記本電腦等設備通過USB連接供電，從而減少對主電源適配器的需求。電源監視器可以通過USB-C為筆記本電腦供電，充當外部硬盤等外圍設備的集線器，還可以從筆記本電腦接收和顯示視頻信息。在這種情況下，只有顯示器需要AC-DC電源適配器，從而降低了設置的成本和體積。
高速數據和靈活性
在USB-C中，單一類型的插頭和插座包含24個引腳，間距為0.5mm，外形尺寸為8.4mm x 2.6mm，這意味著可以使用非定向電纜，允許電源和數據在任一方向上流動。
USB-C插頭是非極化的，可以插入任何一種方式。此外，USB-C的物理層接口包含兩個數據對（D + / D-），保持與USB 2.0的向後兼容性，同時支持USB 3.0和USB 3.1的10Gbps速率，併為未來提供20Gbps的能力。
圖2. USB Type-C連接器引腳名稱
USB-C電纜可通過適配器容納傳統的USB A / B型，Mini-USB和Micro-USB連接器，因為新標準與USB 2.0電氣兼容，同時滿足USB 3.1和PD規範。附加配置通道（CC）引腳可確定電纜方向並允許PD協商。
通過備用模式，DisplayPort，HDMI，MHL，Audio和Thunderbolt等標準都可以通過USB-C提供，允許單一電纜類型用於多種用途。
USB-C設計中的挑戰
USB-C有三個主要的改進領域，每個領域都帶來了設計挑戰：
1. 包含USB PD需要能夠承受至少20V的電源開關，同時具有低導通電阻以最小化功率損耗和熱負載。
2. 高速收發器易受靜電放電（ESD）影響，需要通過瞬態電壓抑制（TVS）二極管實現的數據線上的外部保護。然而，極端的10Gbps數據速率意味著TVS終端電容之間的權衡，避免了數據失真，並且需要可用的ESD保護級別。
3. 新的可逆連接器接口需要切換設備以確保根據連接器插入來映射數據流，同時保持高速數據傳輸
解決電力傳輸挑戰
一個簡單的雙MOSFET功率開關可以用P溝道MOSFET實現，例如東芝的SSM6J50xNU系列，+ 20 / -25V VGSS，無需驅動器IC。這些器件可用於任何USB PD配置文件，並提供低至19mΩ的RDS（on），確保高效運行，同時最小化發熱和電壓降。
圖3.簡單的雙MOSFET電源開關解決方案
或者，可以使用集成的負載開關，例如Toshiba的TCK30xG 28V器件。這是一款非常緊湊的解決方案，具有內置保護功能，包括集成熱關斷，欠壓鎖定，可調過流保護和過壓保護。
除了開關IC的低導通電阻外，還集成了USB-C應用中的重要功能。這包括高達3.0A的可調過流保護（由單個外部電阻設置）和可調節的壓擺率（由外部電容決定）。這些功能組合使TCK30xG系列成為USB充電至Profile 3的最緊湊解決方案。
最有效的電源解決方案是使用帶有外部驅動器IC的分立N溝道MOS FET。東芝的TCK40xG系列驅動器IC可承受40V電壓，並具有內置電荷泵，可為外部N溝道MOSFET提供柵極驅動電壓。這種外部MOSFET可以在小型封裝中提供最低的RDS（on），如SSM6K513NU，在2x2mm封裝中額定功率僅為8mΩ。在測試中，當模擬Profile 5（100W @ 5A）時，此設置比競爭對手的方法低16°C。
在空間方面，雙N溝道MOSFET和TCK40xG解決方案需要15mm2，而由充電器IC的開漏輸出驅動的雙P溝道MOSFET需要10mm2。集成的TCK35xG解決方案在2.3mm 2時顯著縮小，但確實提供了降低的性能。
保護和開關解決方案
除了用於高效電源開關解決方案的設備外，電源線還需要保護，這可以通過東芝的新型DF2SxxP TVS二極管系列實現。該系列中的二極管能夠保護VBUS線路免受浪湧的影響，因為它們提供了接觸放電保護採用緊湊型封裝，電壓高達±30kV，VBUS電壓在5-20V之間，是所有型材的理想選擇。
圖4.使用控制器和分立MOSFET的高效USB Type-C電源解決方案
此外，在保護數據線時，必須滿足IEC-61000-4-2，同時不要過度扭曲數據信號。這可以通過TVS二極管實現，例如單個DF2B5M4SL（0.2pF）或DF5G5M4N陣列，可以為兩個信號對（RX1 + / RX1-，TX1 + / TX1-）提供保護。
諸如TC7PC13212MT之類的總線開關非常適合切換數據路徑以匹配連接器方向，並將保持高達10Gbps的完整數據完整性。
摘要
對於具有額外功率和增加電纜簡單性的用戶而言，USB-C顯然是向前發展的重要一步。然而，這給必須應對增加的電流，更高的電壓和切換數據路徑的設計人員帶來了挑戰。
幸運的是，東芝提供了各種產品來簡化這項任務，包括幾種電源管理選項，包括最大限度地簡化和節省空間的完全集成設計以及實現最高效率的分立設計。
除此之外，總線開關還可以輕鬆管理數據路徑，而先進的TVS二極管可以保護數據線免受ESD影響而不會引入信號失真。
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