開始使用 USB-C 電力傳輸

USB Type-C™ 規格引進了新的選項，可透過 USB 達到可調整的電力傳輸，但此規格錯綜複雜，開發人員會面臨安全與佈局層面的問題。

本文將介紹 USB Type-C (亦稱 USB-C) 插座解決方案，並引導開發人員瞭解如何將這些 USB-C 插座連接器整合和佈局到新設計中，以便安全地為外接裝置供應可調整的 USB 電力。

USB-C 介紹

原始的 USB 1.1 標準指定最大電流為 500 mA @ 5 V (2.5 W)，USB 2.0 容許的最大電流亦相同。此點在 USB 3.1 規格中有所變更，允許的最大電流提升到 900 mA。所有標準一律採用熟悉的矩形 USB 連接器。不過隨著 USB 日漸普遍，針對連接器相容性與電力傳輸能力方面的 USB 應用和相關需求也逐漸增加。

這些需求促成了 USB Type-C™ 標準的發展。USB-C 並非數據傳輸規格，而是小型 USB 連接器的全新標準。綜觀其發展歷程，USB 在連接器相容性問題方面一直深受其擾。每當要插上標準矩形 USB Type-A 連接器時，絕對無法擺脫莫非定律的困擾：無論使用者如何插入該極化連接器，總是會插反 (圖 1)。即使以正確方向插入連接器，仍然無法正確裝妥，導致一再地反轉連接器並重複插入。

圖 1：USB 連接器的類型眾多，讓開發人員和使用者自 USB 1.1 時代以來就備受困擾。消費性電腦產品上的最常見連接器為 USB Type-A 連接器，適用於 USB 1.1、2.0、3.0 和 3.1。(圖片來源：Wikipedia)

由於極化 Type-A 連接器的尺寸較大，因此開發了較小的極化類型：梯形的 micro 與 mini 連接器，可更輕鬆整合到小型消費性裝置上。但即便如此，開發人員和使用者還是會遇到與 Type-A 同樣的方向問題。

新型 USB-C 連接器 (圖 1 右下方) 的尺寸，僅略大於在 Android 智慧型手機和物聯網 (IoT) 裝置上使用的 USB micro-B 連接器。此連接器可同時取代電腦 (主機) 和裝置連接器，因此只需單一纜線類型即可取代眾多纜線。此外，USB-C 連接器並非鍵鎖型且無偏好方向，因此無論如何插入連接器，皆可穩固地連接。

USB-C 連接器引腳配置與功率位準

USB-C 連接器支援 USB 2.0 與 USB 3.1。當用於 USB 3.1 時，依標準規定需向下相容於 USB 2.0，此為針對新設計的建議使用方式。不過針對低數據傳輸率的設計，此連接器亦可單純用於 USB 2.0。

圖 2：USB-C 24 引腳插座連接器為非極化型且支援正反插，因此無論以何種方向插入插頭，皆可輕鬆連接。(圖片來源：STMicroelectronics)

觀察 USB-C 連接器插座的引腳配置，在連接器外側配有四個接地引腳 (GND) (圖 2)。這種配置方式有助於提升雜訊耐受性，亦可輕鬆連接接地的連接器金屬外殼。標準 USB 2.0 雙向數據引腳 D+ 與 D- 在中心處倍增，而且強制用於所有的 USB-C 數據傳輸應用。USB 3.1 具備獨立的高速發射與接收數據路徑，且接收引腳 RX1+ 和 RX1- 的數量倍增，新添加 RX2+ 和 RX2-。USB 3.1 的發射數據路徑與 TX1+ 和 TX1- 相同，並倍增添加 TX2+ 和 TX2-。

USB-C 連接器標準亦支援視訊傳輸，包括 DisplayPort 和 HDMI。此標準稱之為交替模式，但不在本文的討論範圍內。

其中的重點在於，USB-C 連接器標準指定的最大電流傳輸量在 5 V 下高達 3.0 A，功率最高為 15 W。USB 電力傳輸標準 2.0 版進一步延伸此特色，規定支援 USB 3.1 的 USB-C 連接器可供應最大 100 W 的電力 (20 V @ 5 A)。此電力是從四個 V_BUS 引腳供應。這讓 USB 介面搖身一變，從輔助電源躍升為主要電源。

USB-C 連接器設計的實作可能較為棘手

為了在專案中支援最大 100 W 的電力，在板件佈局過程中需份外留心，以確保使用者與開發人員安全無虞。絕大多數專案皆不需要供應如此多的電力；例如，超高電流的智慧型手機充電器，其額定電流可能為 3.0 A。不過，對於大多數的商用 USB-C 連接器而言，V_BUS 與 GND 引腳間的常見完美電流為 5.0 A。Amphenol FCI 推出的 USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1 直角型 USB-C 連接器就支援此要求 (圖 3)。

圖 3：Amphenol FCI 的 10137062-00021LF USB-C 連接器是直角頂端安裝的短型連接器，可採用通孔或表面黏著式安裝。(圖片來源：Amphenol FCI)

此 USB-C 插座連接器支援最大 5 A 電流，因此若要供應 100 W 則需要 20 VDC。不過對於大多數專案而言，25 W (5 V ＠ 5 A) 即充足且安全。此 USB-C 連接器支援 USB 3.1 Gen 1 規定的每秒 5 Gigabit 數據傳輸率，且最大額定電壓為 100 V DC 或 AC，可根據規格指定的 100 W 最大電力，提供最大 1 A 的電流。

此連接器支援表面黏著或通孔式組裝，並安裝於 PC 板頂端。採用不鏽鋼材質的連接器外殼，比鋁質更耐用，並且與 GND 引腳達到電氣連接。

外殼必須使用四個窄接片進行接地，而接片會滑入 PC 板的插槽內，連接器的每一側安裝兩個接片。請務必使用大量焊料將這些接片焊接至 PC 電源接地層，以確保穩固連接。

USB-C 連接器訊號佈線

USB 3.1 高速差動訊號必須仔細佈設，以便彼此相鄰且長度保持一致。差動訊號的走線盡可能越短越好，以盡量降低 EMI。為了達到最佳耐受性，請將差動訊號置於 PC 板的內層。若佈設在 PC 板外層，請使用接地走線環繞差動對走線，以隔離來自其他數據線路的訊號。此外，請一律在穩固的接地面上佈設差動訊號，以盡量降低 EMI。

設計 PC 板時，須將差動走線阻抗值維持在 90 Ω ±10%，以符合 USB 纜線差動阻抗值。此外，每條走線的佈設方式應讓每對走線的單端阻抗值相同。在此情況下的黃金準則是，讓一個差動對的阻抗值達到其中一對的兩倍。因此在佈設走線時，每個單端阻抗值應為 (或接近) 45 Ω ±10%。

如何安全佈設 USB-C 功率訊號

功率訊號的佈設至關緊要。為了防止專案外殼或使用者意外短路，必須謹慎小心地安全供應 5 A 電流。此電流可佈設在 PC 板的頂層或底層，但不應過於靠近 PC 板的邊緣。此做法有助於在專案外殼受到衝擊或損壞時，避免意外連接至外殼。

若要透過每平方英呎 2 盎司厚度的銅材，在 PC 板上安全地供應 5 A 電流，必須使用 44.6 mil 寬度的走線。較為安全的做法是在 PC 板內層佈設 5 A 電流，讓電流絕緣不受任何外部影響，而這必須使用相同銅材密度的 116 mil 寬度走線 (根據 IPC-2221 設定檔計算而得)。在鄰近 V_BUS 連接器引腳的位置盡可能佈設大量銅材，以避免電流損耗。

垂直安裝式 USB-C 連接器

若 PC 板空間相當有限，則可採用垂直方式來安裝 USB-C 插座連接器。Amphenol FCI 針對此需求推出 USB 3.1 10132328-10011LF 垂直安裝式 USB-C 連接器。

圖 4：Amphenol FCI 的垂直安裝式 USB-C 連接器採用小型 PC 板覆蓋區，可用於節省 PC 板空間。(圖片來源：Amphenol FCI)

此垂直安裝式 USB-C 連接器支援 USB 3.1 Gen 2 規定的 10 Gbit/s 數據傳輸率標準。此外具有最大 100 V DC 或 AC 的額定電壓，可支援 100 W 的電力傳輸，並可提供最大 5 A 的電流。此產品採用與直角型連接器相同的不鏽鋼外殼構造。如同直角型連接器，請確保使用大量焊料，將外罩的四個接片穿過 PC 板的孔洞進行安全接地。

與直角型插座的差異在於，僅採用表面黏著方式安裝至連接器的較小一端，以讓 V_BUS 電源觸點盡可能靠近訊號觸點。佈設電源觸點時務必小心將其遠離訊號觸點。若空間擁擠，最安全的做法是將數據對與 V_BUS 電源觸點放置在不同的 PC 板層。

針對以上的插座連接器供應電力時，在 USB 主機與裝置間會使用簡易的交握通訊協定來決定電力供應量。IC 會負責處理 USB 的汲取至供應連接，讓開發人員對流程一目了然。

STMicroelectronics 的 STUSB1700 USB-C 供電控制器即是一個良好的範例。此做法可安全地管理 5 V 的 USB-C 主機對裝置連接。供應電力時，STUSB1700 可偵測並防止發生電路短路、電流消耗量超過編程限制、超過 145°C 之過熱、欠壓與過壓，以及逆向電流和逆向電壓等狀況。這可大幅簡化 USB-C 系統的安全設計，並可降低開發人員的工作複雜度。

圖 5：此電路中的 STUSB1700 供應 3 A 電力，並可獨立運作。若由具有 I²C 介面的選配微控制器來管理，則必須新增 R3 至 R10 的上拉電阻。(圖片來源：STMicroelectronics)

STUSB1700 適用於 USB-C 主機連接器，並可偵測主機與裝置間的新連接。此產品可判斷裝置的電力需求，並供應必要電流。此外，還可判斷裝置是否為數位音訊配件，可發送訊號給微控制器，以便透過 USB-C 連接埠供應數位音訊。可與 USB 裝置進行協商，以判斷電力需求為 USB 預設值 (最大 900 mA)、USB 中等 (最大 1.5 A) 或 USB 高電流 (最大 3.0 A)。

結論

全新 USB-C 標準可輕鬆安全地針對合適設計的裝置，供應最大 100 W 的電力。隨著所有智慧型手機、數位相機、電腦和電子配件都標準化採用單一種容易使用的連接器，開發人員就無須擔憂要使用哪些尺寸和類型的連接器，也可讓設計符合未來需求。