使用評估套件在受控環境中開發和測試 USB Type-C™ 及 USB PD 產品

作者：Steven Keeping

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2019-10-09

最新的 USB 連接器／纜線、電力傳輸 (PD) 及通訊協定規格 (即 USB Type-C、USB PD 3.0 和 USB 3.2)，不僅讓連接器的使用變得更加簡單，而且還提高 USB 的數據傳輸量和電力傳輸能力。然而，一些渴望使用這些新規格的設計人員，卻發現在實作上面臨著許多難題。尤其是，支援較高的電壓和電流時可能會損壞不相容的周邊裝置，並導致纜線、連接器和連接埠過熱。

不熟悉 USB Type-C 和 USB PD 的開發人員，需要在具有適當軟體介面的受控環境中，試驗這些新技術。USB 矽晶廠商已對此作出回應，推出帶有軟體和板件的評估套件 (EK)，其中包含電源供應器、PC-USB 連接，以及最新一代的 USB 晶片。憑藉這些評估套件，開發人員可以利用具有使用簡便介面的實證設計，取得有關 USB Type-C 及 USB PD 的配置經驗。此外，評估套件還能當作公版設計，供開發人員進行原型開發。

本文將概述最新 USB Type-C 規格的關鍵屬性，並介紹一些實作上的複雜性。然後會介紹 ON Semiconductor、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 的套件，並展示如何使用這些套件安全地探索新 USB 技術的功能。這些評估套件和板件的底層整合式元件，之後可設計成新的產品，以發揮更高的效能，同時節省空間並減少元件數。

為什麼要升級到最新的 USB 規格？

將產品更新至最新 USB 規格的主要原因是：

更便利：USB Type-C 以緊湊型可反插插頭連接器為基礎，不僅更方便消費者使用，而且更適合現代消費性電子產品的尺寸。
更高傳輸量：USB 3.2 (於 2017 年推出，現已入先前所有的 USB 3.x 規格) 的數據傳輸率，高達 20 Gbit/s。
更高功率：USB PD 3.0 提供高達 100 W (5 A x 20 V) 的功率，可為平板裝置和可攜式電腦快速充電。

USB 3.2 第 2x2 代強制使用 USB Type-C 連接器，而且未來版本的標準只能與之相容 (而非 Type-A 和 Type-B 連接器)。該規格引入 24 引腳連接器，提供四個 +5 V 接地對、兩個用於 USB 2.0 數據匯流排的差動對、四個用於 SuperSpeed 數據匯流排的對組、兩個「邊帶用途」引腳、用於主動式纜線的 V_CONN +5 V 電源，以及用於纜線方向偵測和連接管理的通道設定 (CC) 引腳。請注意，採用的通訊協定和電力傳輸，會決定在特定應用中該使用何種引腳 (圖 1)。

USB Type-C 24 引腳連接器示意圖 圖 1：USB Type-C 24 引腳連接器支援正反插，且 CC 引腳用於纜線方向偵測和連接管理。(圖片來源：Texas Instruments)

「全功能」型 USB Type-C 連接器和纜線可以支援最快的 USB 數據傳輸率。例如，使用 USB Type-C 時，設計人員可以選擇 USB 3.2 第 1 代 (SuperSpeed 5 G/s)、USB 3.2 第 2 代 (SuperSpeed 10 G/s) 或 USB 3.2 第 2x2 代 (SuperSpeed 20 G/s) 協定。請注意，也有「非全功能」型 USB Type-C USB 連接器與纜線組合，這些組合無法支援最新規格的功能。本文的其餘部分僅會討論採用全功能型 USB Type-C 硬體的設計。

此外，USB Type-C 還可讓設計人員充分利用 USB PD 2.0/3.0 電源協定所提供的最高 USB PD 電壓和電流。從 USB PD 2.0 開始，該規格定義了四個電壓位準，包括 5 V、9 V、15 V 和 20 V。而且，電源供應器可支援任何從 0.5 W 至 100 W 的最大電源輸出功率，而不是原始 USB PD 標準的六個固定位準。超過 15 W 的電源提供 5 V 和 9 V 的電壓；超過 2 7 W 的電源提供 5 V、9 V 和 15 V；超過 45 W 的電源則提供 5 V、9 V、15 V 和 20 V。這些不同的電壓和電流組合，稱為「功率設定檔」。

儘管靈活的功率位準具有許多優點，但在技術上支援更高的電壓和電流，因此會增加設計的複雜性並帶來一些值得關注的設計難題。例如，USB PD 需要額外的元件 (連接埠控制器)，來協商和實作 USB PD 功率設定檔。習慣 USB Type-A 設計的設計人員，不會立刻就熟悉這些差異，而更有可能在設計上做出並非最佳化或有害的決定。

例如，使用 USB PD 的 USB Type-C 系統，可以透過 A 對 C 纜線連接到 USB Type-A 連接埠；USB Type-A 連接埠 V_BUS 保持在大約 5 V，但是使用 USB PD 的 USB Type-C 連接埠，可在 5 A 下提供高達 20 V 的電壓。V_BUS 電壓較高的連接埠，會將電流驅動到另一個連接埠，而許多 USB Type-A 連接埠電源開關沒有逆電流保護，因此可能會因較高的電壓而受損。(有關 USB Type-C 和 USB PD 設計的更多資訊，請參閱 DigiKey 文章《使用 USB Type-C 進行設計並使用電力傳輸實現快速充電》。

管理 USB Type-C 複雜性

透過纜線、連接埠和功率設定的配置，即可實現 USB Type-C 和 USB PD 的多用途性。USB Type-C 連接器可透過 CC 以電子方式偵測和配置連接。USB Type-C 連接埠可以是純主機、純裝置 (即傳統的 USB 主機和裝置角色) 或雙重用途埠 (DRP)；主機是下行連接埠 (DFP)，元件是上行連接埠 (UFP)。

USB Type-C 的其他優點包括：

雙重用途埠具有可重新配置性。例如，可攜式電腦由監視器充電時可當作 UFP；在供電給小型風扇時則可當作 DFP。
能夠以電子方式判定 V_BUS 使用的是 USB Type-C 標準電源還是 USB PD，可根據需求配置 V_CONN。
支援可選的交替和配件模式。

連接埠控制器可搭配 PD 控制器使用，一同協商功率需求及方向，讓智慧型手機等電池電量適中的裝置，不會嘗試供電給可攜式電腦等高功率需求的裝置。連接埠控制器通常包括嵌入式微控制器，因此無需使用外部元件來監測電源交易。

為了幫助管理複雜性並確保設計成功，USB 晶片供應商推出評估套件，能讓設計人員試驗經過最佳化和受到保護的電路，以評估最適合該應用的 USB Type-C 和 USB PD 配置。ON Semiconductor 的 STR-USBC-4PORT-200W-EVK 評估套件便範例之一，功率為 200 W 並含有四個 USB Type-C 連接埠。此套件可讓開發人員在 5 V、9 V、15 V 和 20 V 的電壓輸出以及最高 5 A 的電流下，探索 USB PD 3.0 的功能，每個連接埠的最大輸出功率為 100 W。礙於電源供應的限制，此評估套件的四個連接埠的最大總輸出功率被限制在 200 W。

STR-USBC-4PORT-200w-EVK 含有 USB PD 連接埠控制器、高電壓保護開關，以及降壓電源供應控制器，並配備輸入範圍從 90 V 至 265 V 的 AC/DC 電源控制器，內建過電流和熱保護。此評估套件隨附 ON Semiconductor 的 Strata 軟體，其中含有配置工具，可測試功率設定檔、試驗多種故障和折返功能，並可監測系統遙測，同時還能為連接的裝置提供可變的充電負載 (圖 2)。

圖 2：ON Semiconductor 的 USB Type-C 評估套件包含 200 W AC/DC 前端和四埠式 USB PD 輸出。(圖片來源：ON Semiconductor)

此評估套件使用 ON Semiconductor 的 FUSB307B 晶片作為連接埠控制器，可實作具有 USB PD 功能的 USB Type-C 連接埠控制器 (TCPC)。此晶片符合 USB PD 介面規格，是具有標準介面的 TCPC，可用於 USB Type-C 連接埠管理器 (TCPM)，並且整合 USB Type-C 偵測電路，可手動進行連接／分離偵測。此晶片能自主處理時間緊迫的 PD 功能，因此無需使用系統微控制器或 TCPM。

針對此需求，STMicroelectronics 推出 STEVAL-ISC004V1 USB PD 評估套件。此評估套件是即用型 USB PD 電源，以該公司的 STUSB4710A USB PD 控制器為基礎，能展示如何將固定電壓 DC 電源輸入轉換成 USB PD 可變電壓輸出。此 USB PD 控制器透過 USB Type-C CC 進行通訊，與連接的裝置協商指定的功率量，並可在沒有微控制器支援的情況下，處理與 DFP 或 UFP 的任何連接。

另外，Texas Instruments (TI) 亦推出 USB Type-C 擴充底座評估套件 USB-CTM-MINIDK-EVM (圖 3)。此評估套件是 USB Type-C 底座的參考解決方案，內含 USB PD、音訊、USB 數據、電源和視訊；透過主要的 USB Type-C PD 連接埠，支援流出和流入電源功能。由外部 USB Type-C 充電器供電時，底座可在 3 A 下提供 5 V 電壓，或在 5 A 下提供 12 V 至 20 V 電壓。

此評估套件包含：

TUSB8041：此四埠式 USB 3.0 集線器控制器，可透過 DFP 和 UFP 提供最高 SuperSpeed USB 規格。
TUSB321：此TCPC 可判定連接埠的連接和分離，以及纜線方向和用途偵測。此晶片可配置為 DFP、UFP 或 DRP。
TPS65982：此 USB Type-C 控制器可進行 USB PD 協商和電源路徑的啟用。

Texas Instruments 的 USB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-C 介面評估套件示意圖 圖 3：TI 的 USB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-C 介面評估套件，是 USB Type-C 底座的參考解決方案，內含 USB 數據、USB PD、音訊和視訊。(圖片來源：Texas Instruments)

ON Semiconductor、TI 和 STMicroelectronics 的評估套件，可引導工程師建立和配置具有 USB PD 功能的 USB Type-C 設計。

ON Semiconductor 的評估套件需透過該公司的 Strata Developer Studio 平台進行開發。首先，開發人員需要對此評估套件施加 AC 電壓，並使用 USB Mini-B 纜線將其連接到 PC，接著登入並讓 PC 偵測評估套件和下載相關內容。

開發人員可以對系統進行一些基本設定，包括最大系統功率 (30 W 至 200 W) 和「保證功率」設定；前者可確保四個連接埠的總 PD「合約值」不超過 AC 電源的總功率；後者可讓連接埠 1 始終具有分配的功率量，而其他連接埠共用剩餘的功率。此外，還有故障保護設定，可判定要指出故障狀況的溫度臨界值。

開發人員隨後即可試驗各個連接埠設定，包括：

最大連接埠功率：一旦設定後，將不提供任何超出限制的合約值
電流限制：0 A 至 6 A
纜線補償：可在提供較高電流時，降低流入元件的壓降
廣播的設定檔：插入裝置後，就會顯示要提供給流入裝置的設定檔

開發人員隨即可以存取瀏覽器，會詳細列出 USB 連接埠的總輸入電壓與功率，以及每個連接埠的效能資訊，包括設定檔 (V)、PD 合約值 (W)、輸出電壓與功率、溫度以及效率。此評估套件可以連接到示波器，顯示更詳細的效能資訊，如 V_BUS 轉換 (圖 4)。

圖 4：ON Semiconductor 的 USB Type-C 評估套件可以連接到示波器，顯示詳細的晶片工作特性分析結果。(圖片來源：ON Semiconductor)

STMicroelectronics 評估套件的工作方式與 ON Semiconductor 評估套件類似。一旦連接到 22 V (最小值) DC 電源和具有 USB Type-C 連接器的周邊裝置，此評估套件的板載 USB PD 控制器的設定即可透過 I²C 介面，從非揮發性記憶體讀取到 PC 中。接著，PC 介面可讓開發人員重新配置最多 5 個 PD 電壓和電流輸出、峰值電流，以及欠壓和過壓鎖定。在 PC 上建立這些設定檔之後，即可編程到 USB PD 控制器的記憶體中，並用來驅動已連接的周邊裝置。

TI 的評估套件需要與該公司的 USB Type-C 啟動板配合使用。此啟動板透過 USB Type-A 轉 USB Type-B 的纜線和 DisplayPort 纜線連接到 PC。接著，評估套件經由 USB Type-C 纜線，連接到 USB Type-C 啟動板。然後，開發人員可以直接從 PC 上，試驗 USB 3.0 集線器、TCPC 及 USB Type-C 控制器的配置。