自从通用串行总线（USB）在Apple iMac G3计算机上首次亮相以来已有20年，它开始了计算机和外围设备连接方式的根本改变。在此期间，该标准已通过各种迭代发展到最新版本 - USB Type-C - 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改变。
虽然USB-C相对较新，但有迹象表明新标准将有很大的发展和销售。市场研究公司IHS预测今年将有5亿台采用USB-C的设备出货，并在2019年迅速增加到20亿台设备。
USB-C的消费者优势包括高速数据传输，更多可用于充电和供电设备以及可翻转连接器的功率，使插头比以前更简单。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便利，为设计师带来挑战，并研究一些进入市场的解决方案。
USB Type-C（https://eepower.com/integrated-circuits/2017/06/first-usb-type-c-load-switch-946）提供小型多功能连接方案，基于双向电缆和连接到主机和外围设备的无键可翻转连接器，取代旧式A型和B型连接器和电缆。10Gbps的数据速率与SuperSpeed USB 3.1相匹配，并且集成了USB电源传输（USB PD）规范，将功率容量提高到100W。但是，这些进步需要仔细选择电源和数据切换以及接口保护的关键组件。
增加为设备充电的能力
USB PD允许设备通过USB连接充当电源或消费者。它规定了10W，18W，36W，60W和100W的额定值，工作电压在5V和20V之间，电流高达5A。在默认的5V / 2A模式下连接启动后需要电源协商的设备，从而确保旧USB2.0设备的安全性。
图1. USB PD规范包含高达100W的电源配置文件
USB PD可以更快地为外围设备充电，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，从而减少对主电源适配器的需求。电源监视器可以通过USB-C为笔记本电脑供电，充当外部硬盘等外围设备的集线器，还可以从笔记本电脑接收和显示视频信息。在这种情况下，只有显示器需要AC-DC电源适配器，从而降低了设置的成本和体积。
高速数据和灵活性
在USB-C中，单一类型的插头和插座包含24个引脚，间距为0.5mm，外形尺寸为8.4mm x 2.6mm，这意味着可以使用非定向电缆，允许电源和数据在任一方向上流动。
USB-C插头是非极化的，可以插入任何一种方式。此外，USB-C的物理层接口包含两个数据对（D + / D-），保持与USB 2.0的向后兼容性，同时支持USB 3.0和USB 3.1的10Gbps速率，并为未来提供20Gbps的能力。
图2. USB Type-C连接器引脚名称
USB-C电缆可通过适配器容纳传统的USB A / B型，Mini-USB和Micro-USB连接器，因为新标准与USB 2.0电气兼容，同时满足USB 3.1和PD规范。附加配置通道（CC）引脚可确定电缆方向并允许PD协商。
通过备用模式，DisplayPort，HDMI，MHL，Audio和Thunderbolt等标准都可以通过USB-C提供，允许单一电缆类型用于多种用途。
USB-C设计中的挑战
USB-C有三个主要的改进领域，每个领域都带来了设计挑战：
1. 包含USB PD需要能够承受至少20V的电源开关，同时具有低导通电阻以最小化功率损耗和热负载。
2. 高速收发器易受静电放电（ESD）影响，需要通过瞬态电压抑制（TVS）二极管实现的数据线上的外部保护。然而，极端的10Gbps数据速率意味着TVS终端电容之间的权衡，避免了数据失真，并且需要可用的ESD保护级别。
3. 新的可逆连接器接口需要切换设备以确保根据连接器插入来映射数据流，同时保持高速数据传输
解决电力传输挑战
一个简单的双MOSFET功率开关可以用P沟道MOSFET实现，例如东芝的SSM6J50xNU系列，+ 20 / -25V VGSS，无需驱动器IC。这些器件可用于任何USB PD配置文件，并提供低至19mΩ的RDS（on），确保高效运行，同时最小化发热和电压降。
图3.简单的双MOSFET电源开关解决方案
或者，可以使用集成的负载开关，例如Toshiba的TCK30xG 28V器件。这是一款非常紧凑的解决方案，具有内置保护功能，包括集成热关断，欠压锁定，可调过流保护和过压保护。
除了开关IC的低导通电阻外，还集成了USB-C应用中的重要功能。这包括高达3.0A的可调过流保护（由单个外部电阻设置）和可调节的压摆率（由外部电容决定）。这些功能组合使TCK30xG系列成为USB充电至Profile 3的最紧凑解决方案。
最有效的电源解决方案是使用带有外部驱动器IC的分立N沟道MOS FET。东芝的TCK40xG系列驱动器IC可承受40V电压，并具有内置电荷泵，可为外部N沟道MOSFET提供栅极驱动电压。这种外部MOSFET可以在小型封装中提供最低的RDS（on），如SSM6K513NU，在2x2mm封装中额定功率仅为8mΩ。在测试中，当模拟Profile 5（100W @ 5A）时，此设置比竞争对手的方法低16°C。
在空间方面，双N沟道MOSFET和TCK40xG解决方案需要15mm2，而由充电器IC的开漏输出驱动的双P沟道MOSFET需要10mm2。集成的TCK35xG解决方案在2.3mm 2时显着缩小，但确实提供了降低的性能。
保护和开关解决方案
除了用于高效电源开关解决方案的设备外，电源线还需要保护，这可以通过东芝的新型DF2SxxP TVS二极管系列实现。该系列中的二极管能够保护VBUS线路免受浪涌的影响，因为它们提供了接触放电保护采用紧凑型封装，电压高达±30kV，VBUS电压在5-20V之间，是所有型材的理想选择。
图4.使用控制器和分立MOSFET的高效USB Type-C电源解决方案
此外，在保护数据线时，必须满足IEC-61000-4-2，同时不要过度扭曲数据信号。这可以通过TVS二极管实现，例如单个DF2B5M4SL（0.2pF）或DF5G5M4N阵列，可以为两个信号对（RX1 + / RX1-，TX1 + / TX1-）提供保护。
诸如TC7PC13212MT之类的总线开关非常适合切换数据路径以匹配连接器方向，并将保持高达10Gbps的完整数据完整性。
摘要
对于具有额外功率和增加电缆简单性的用户而言，USB-C显然是向前发展的重要一步。然而，这给必须应对增加的电流，更高的电压和切换数据路径的设计人员带来了挑战。
幸运的是，东芝提供了各种产品来简化这项任务，包括几种电源管理选项，包括最大限度地简化和节省空间的完全集成设计以及实现最高效率的分立设计。
除此之外，总线开关还可以轻松管理数据路径，而先进的TVS二极管可以保护数据线免受ESD影响而不会引入信号失真。
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