USB Type-C 的复杂性与操作方式
作者：初级应用工程师 Muhammad Zafar Kausar
USB 的普及之路
90年代中期问世的通用串行总线 (USB)，现在已成为一种便利又普遍的互连技术，它简化了将个人计算机和周边装置 (像是打印机、扫描仪和键盘) 的连接线材的数量和多样性。有了这项技术，设置家庭和办公室计算机变得更轻松，笔记本电脑的用户无需携带大量笨重的线材，便能连接周边装置和配件。
1990 年代末与 21 世纪初，USB 接口标准发展到支持 12.0Mbit/s 及 480Mbit/s 的数据传输速度，而开始广泛采用 USB 接口；后来，这两种速度分别称为 FullSpeed 及 HiSpeed。USB 2.0 标准目前仍然支持这两种数据传输速度，以及 USB 1.x 未提供的功能，为用户带来更大的使用弹性。此后，USB 3.2 规格将数据传输速度从 5Gbit/s 提高到 20Gbit/s，而 2019 年宣布推出 USB 4.0，更进一步将数据传输速度提高到 40Gbit/s。
除了简化和统一数据连接，以及取代包括小型计算机系统接口 (SCSI) 在内的庞大接口，USB 标准还在同一连接中加入 5V 电源，可供应高达 500mA 的电流；此技术为小型装置提供便捷的供电和充电方式。随后，USB 开发者论坛 (USB-IF) 制定了电池充电 (USB BC) 及供电 (USB PD) 规范。USB PD 使得相连的设备能够以 5V 至 20V 的电压，以及高达 5A 的电流协商供电。
随着消费性技术市场蓬勃发展，从携带式运算到智慧电器和家庭安全，全球许多制造商都选择采用 USB 连接技术。USB 同样盛行于汽车产业应用，该产业的生态设计标准强制要求使用 USB。这项标准旨在淘汰行动装置所使用的特定类型充电器，以减少全球电子废弃物的数量。
体积更小，更易于使用
各代的 USB 接头随着消费者的需求而发展出不同的外型尺寸，像是变得更小和提高数据传输速度。插座通常位于主机或装置中，而线材通常包含插头。图 1 比较了个人计算机、周边装置及携带式/行动装置中常见插头类型的尺寸。
图 1：比较 USB 插头尺寸
与周边装置相连的个人计算机等主机装置，一般使用 USB Type-A 接头。过去，周边装置使用 Type-B 接头，常出现在打印机和扫描仪等装置中。Mini USB 及 Micro USB 接头适用于小型装置，这些接头包括 Type-A、Type-B 和 Type-AB 等版本，以及尺寸更宽、传输速度更快的 Micro SuperSpeed (配备额外接脚，可处理双数据信道)。
采用最新 USB Type-C® 接头的产品现已引进全球市场，包括个人计算机和周边装置、手机、一体型计算机、储存周边装置、ultra-HD 显示器，以及使用充电电池来供电的无人机等系统。USB Type-C 标准简化了与旧版本的向下兼容性，只要使用正确的转接器，就能连接 Type-C 接头及旧款接头。
Type-C 接头有 24 个接脚，相较之下，USB 3.0 Standard-A 接头只有 9 个接脚。需要有更多的接脚，才能在翻转接头方向时也能顺利操作，并支持双通道操作。插头和线材同样也能翻转使用，如此一来，使用 USB 连接各种装置变得比以往更容易。
图 2 显示 Type-C 接头中的接脚指派情况。配置信道接脚「CC」支持连接侦测和 USB PD 通讯等功能。接头里也包含用于两个电源的接脚。其中包括如图所示的 USB VBUS 接脚，以及一个专用电源 VCONN，可以透过任何一个 CC 接脚供电给缆线电子装置。这么一来便能使用配件模式，以及使用至少五公尺长的主动缆线。
图 2：Type-C 接脚图 (图片由 OFweek.com 提供)
设计 USB Type-C 互连
USB Type-C 端口提供的额外功能和弹性，需要复杂的接头逻辑。
Diodes Incorporated 针对智能型手机产品应用，开发出用于 USB 3.2 Gen 1 的 PI3DBS12212A 低损耗多路复用器，以及 PI3DBS12212A 配置信道感测控制器。CC 信道感测功能有助于侦测连接的各个层面，包括缆线是否为翻转/未翻转状态，还有是否为笔直/扭曲状态。
针对笔记本电脑，建议使用一个包含交叉切换器的 USB-C 控制器，以处理 Type-C 接头的跨接功能。这个产品组合还包括一个用于主机设备的 USB-C 充电控制器，以及一个装置端 IC，可侦测相连的充电器和提供过流与过压保护。
此外，还有 ReDrivers™ 和切换器等 USB 2.0 及 USB 3.0 IC 产品，可用于 USB-C 产品应用。另提供一系列电源切换器与 AC-DC 转换器产品，可简化快速充电器和大功率 USB PD 设备的设计作业。
还要注意的是，USB-C 端口支持 USB 3.x 及更新版本，可以处理 DisplayPort™ 和 HDMI 讯号，因此能够使用合适的转接器来连接 DisplayPort 显示器等设备。Diodes 的产品组合包括支持 USB 3.1 Gen 1 (5Gbps) 和四通道 Display Port 1.2 (5.4Gbps) 的低损耗交叉切换器，供笔记本电脑等装置使用。
Diodes 已经为笔记本电脑、平板计算机、扩充坞、显示器、智能型手机、充电器和转接器制作了许多参考设计。这些设计示范如何结合现有的 IC 产品，在主机和装置上加入 USB-C 接口，以及如何使用 TVS 装置来保护 USB-C 接口的每个接脚。
如需更多信息，请浏览 https://www.diodes.com/protocols/usb-type-c/。
USB Type-C® 和 USB-C® 为 USB 开发者论坛 (USB Implementers Forum) 的注册商标。
ReDriver™ 为 Diodes 公司的商标。
DisplayPort™ 与 DisplayPort™ 标志为 Video Electronics Standards Association (VESA®) 在美国及其他国家的商标。
HDMI、High-Definition Multimedia Interface 及 HDMI 标志是 HDMI Licensing, LLC 在美国及/或其他国家的商标或注册商标。
