一站式構(gòu)建Type-C拓展塢方案

近幾年Type-C的成功加速了各大廠商追求極致輕薄的腳步，以往筆電上常見的VGA、HDMI顯示器接口、RJ45網(wǎng)口等逐漸消失，甚至USB Type-A接口數(shù)量都被削減。取而代之的是以Type-C接口及其拓展塢組成的解決方案。

一個(gè)全功能Type-C接口可以通過拓展塢分出視頻接口(DP/HDMI/VGA)、USB接口、網(wǎng)口、SD/TF卡插槽、耳機(jī)孔等，解決多種媒體需求。受益于USB PD協(xié)議，Type-C接口支持給筆記本電腦快充，也可以給外圍設(shè)備供電，真正做到吸納萬(wàn)物，連接世界。

拆積木一樣把拓展塢拆開

為實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)輸出、網(wǎng)絡(luò)連接、外接移動(dòng)硬盤、U盤、鍵鼠和快速充電功能，Type-C擴(kuò)展塢需要集成USB PD協(xié)議芯片、HUB芯片和USB網(wǎng)卡芯片;從設(shè)備安全性考慮，還需要集成USB限流保護(hù)和ESD靜電防護(hù)。精簡(jiǎn)的拓展塢系統(tǒng)組成如下圖所示。

沁恒微電子在USB領(lǐng)域深耕多年，可以提供一站式Type-C拓展塢方案，真正實(shí)現(xiàn)USB PD協(xié)議芯片、HUB芯片、USB網(wǎng)卡芯片、USB與DP模擬開關(guān)、限流保護(hù)和ESD靜電防護(hù)全覆蓋。免去繁瑣的選型和調(diào)試過程，方案專業(yè)且成熟，芯片適配性和兼容性有保證。以下是一款經(jīng)典Type-C方案原理。

典型Type-C接口包括4對(duì)超速差分線、2對(duì)D+/D-、1對(duì)SBU、2條CC線、4條VBUS和4條地線。USB 3.x/USB4有多個(gè)規(guī)范，下文統(tǒng)一表述為USB 3.x/USB4。USB 3.x/USB4通過超速差分線傳輸，USB 2.0通過D+/D-傳輸。USB2.0、USB 3.x/USB4在線路上相互獨(dú)立。完整的Type-C接口定義如下圖。

USB2.0拓展結(jié)構(gòu)

USB HUB芯片可從Type-C的單個(gè)USB2.0拓展出多個(gè)USB2.0接口，供用戶外部連接移動(dòng)硬盤、U盤、鍵鼠等設(shè)備。在HUB拓展的USB2.0接口下，內(nèi)置USB網(wǎng)卡芯片即可拓展網(wǎng)絡(luò)連接功能。由于HUB拓展的USB口對(duì)外連接下游設(shè)備，工作環(huán)境復(fù)雜，建議加入過流保護(hù)和ESD靜電防護(hù)等。USB2.0典型拓展結(jié)構(gòu)如圖中左側(cè)線路。

①HUB芯片CH334/CH335

沁恒提供CH334/CH335等USB HUB芯片，覆蓋QFN、SOP和LQFP等封裝形式。以CH334為例，該芯片支持高性能的MTT模式，MTT模式下4個(gè)TT處理器各對(duì)應(yīng)1個(gè)端口，并發(fā)處理，性能高于單個(gè)TT處理器分時(shí)復(fù)用的STT模式。芯片上行端口支持 USB2.0高速480Mbps傳輸速率，下行端口支持USB2.0高速480Mbps、全速12Mbps和低速1.5Mbps。芯片采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，外圍精簡(jiǎn)，得益于5個(gè)USB收發(fā)器均為自研，可有效降低系統(tǒng)功耗和成本。

②低功耗USB網(wǎng)卡芯片CH397

CH397是一款高集成度、低功耗的USB網(wǎng)卡芯片，支持10M/100M以太網(wǎng)，免安裝驅(qū)動(dòng)程序或可選廠商驅(qū)動(dòng)程序。該芯片支持休眠模式和低功耗睡眠模式，可通過魔術(shù)包和網(wǎng)絡(luò)喚醒包等事件進(jìn)行遠(yuǎn)程喚醒，支持UTP CAT5、CAT6雙絞線，傳輸距離達(dá)120米。

③USB限流配電開關(guān)芯片CH217

CH217是一款可調(diào)限流門限的USB端口電源開關(guān)芯片。芯片內(nèi)部集成了過流保護(hù)、過溫保護(hù)、欠壓保護(hù)等模塊，支持不超過2.7A的可編程電流，在下游設(shè)備短路時(shí)可以限制輸出電流從而保護(hù)供電系統(tǒng)。

④ESD保護(hù)芯片CH412

CH412是一款四路ESD保護(hù)二極管陣列芯片，能夠承受IEC 61000-4-2規(guī)定的最高±15KV人體放電和±8KV接觸放電ESD脈沖。

Type-C輸出DP視頻信號(hào)

Type-C可通過Alt Mode傳輸DP信號(hào)，如果需要HDMI，可以另加第三方的DP轉(zhuǎn)HDMI芯片。Alt Mode使用超速差分線，不占用USB2.0，因此Type-C的USB2.0和DP可以共存。若使用一半超速差分線傳輸DP信號(hào)，則USB 3.x和DP信號(hào)也可以共存，缺點(diǎn)是DP的帶寬受限。若采用全部超速差分線，則可以提供完整的DP性能，該模式下USB 3.x不再可用。如下圖中間線路。

超高速模擬開關(guān)芯片CH482D/CH482X/CH9445F

需要同時(shí)使用USB 3.x和DP功能時(shí)，信號(hào)可通過多路復(fù)用器切換;沁恒超高速模擬開關(guān)芯片CH482、4x6通道超高速模擬開關(guān)CH9445F等適用于超高速USB 3.x/USB4、DP等差分信號(hào)的切換場(chǎng)景。

拓展塢的調(diào)度處理中心，PD單片機(jī)CH543

拓展塢從筆記本/手機(jī)等設(shè)備要電，或經(jīng)由輔助供電接口為筆記本/手機(jī)充電，甚至從Type-C接口協(xié)商DP信號(hào)，均需要通過USB PD協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

與采用外置PD收發(fā)器和控制器的方案不同，沁恒提供內(nèi)置USB PD收發(fā)器和控制器的單片機(jī)CH543。該芯片可實(shí)現(xiàn)Alt Mode下DP信號(hào)的切換與協(xié)調(diào);作為PMIC可用于電源管理，支持受電端、供電端、DRP等角色，支持正反充，最大PD快充功率100W(20V@5A)。CH543還支持可編程灌電流，可通過FB引腳控制DC-DC分512檔逐級(jí)調(diào)節(jié)DC-DC輸出電壓。

作為控制核心，CH543不但能管理USB PD相關(guān)事務(wù)、監(jiān)控輸入電壓，還可以通過自帶的USB主機(jī)或設(shè)備接口連接至USB HUB，實(shí)現(xiàn)Billboard功能;或搭配CH217動(dòng)態(tài)控制電流門限。CH543內(nèi)置PWM、SPI、UART等常規(guī)外設(shè)，用戶可根據(jù)需要拓展自定義功能。

本方案支持兩種供電模式：不使用輔助電源時(shí)，拓展塢及其下游系統(tǒng)通過Type-C公口從筆記本電腦、手機(jī)等設(shè)備取電;使用輔助電源時(shí)，可以通過輔助電源給筆記本電腦、手機(jī)等設(shè)備充電，同時(shí)為拓展塢及其下游設(shè)備供電。兩種模式均支持USB PD快充，輔助電源可以額外支持QC等快充協(xié)議。具體供電方式如下圖所示。

以上Type-C拓展塢方案免驅(qū)、即插即用，將USB高速數(shù)據(jù)傳輸、DP視頻接口、100M以太網(wǎng)和USB PD快充功能四合一。WCH擁有相對(duì)豐富的PC和筆電周邊產(chǎn)品線，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、游戲主機(jī)等典型場(chǎng)景，支持多種操作系統(tǒng)。除上述產(chǎn)品外，基于對(duì)連接技術(shù)和MCU內(nèi)核等長(zhǎng)期研究形成的核心技術(shù)IP，沁恒微電子還提供種類豐富的PD芯片、USB接口轉(zhuǎn)換芯片、低功耗藍(lán)牙SoC及青稞RISC-V內(nèi)核連接型/無線型/互聯(lián)型MCU.

審核編輯：湯梓紅