USB Type-C技術與應用
Type-C因其“快，強，小”的特性，越來越多的產品開始采用Type-C接口，未來Type-C將一統接口的天下。
- Type-C是什么？
Type-C全稱USB Type-C接口，是一種USB接口形式。2014年USB Type-C推出后，最先在應用在Nokia N1平板，隨后2015年初應用在谷歌Chromebook Pixel，但真正為大眾所熟知，借助蘋果超薄款Macbook的普及。
Type-C是USB接口的一種連接介面，不分正反兩面均可插入，大小約為8.3mm×2.5mm，和其他介面一樣支持USB標准的充電、數據傳輸、顯示輸出等功能。
Type-C主要有以下幾大優勢：
（1）纖薄設計。接口插座端的尺寸約為8.3mm×2.5mm，是標准USB Type-A接口尺寸的1/3。
（2）支持“正反插”。Type-C接口正面反面相同，支持從正反兩面均可插入的“正反插”功能，解決了“USB總是插不准”的難題，可承受1萬次反復插拔。
（3）最大數據傳輸速度可達到10Gbit/秒，就是USB3.1的標准。
（4）USB Type-C支持USB PD協議（即功率傳輸協議），該協議可實現更高的電壓和電流，輸送的功率最高可達100瓦，可以自由的改變電力的輸送方向。因此USB Type-C可以實現快速充電和雙向充電。例如，用戶不僅可以用筆記本為移動設備充電，可以利用其它設備或移動電源為筆記本充電。
（5）極大的擴展性。為了擴大對各種傳輸規格的整合，Type-C制定了替代模式（Alternate Modes）進行支援，包括高速影像傳輸的Displayport、行動裝置多媒體傳輸的MHL、以及英特爾主導的高速傳輸介面Thunderbolt 3、主導超高畫質影像傳輸介面的HDMI等。
實際應用中，經常會有USB端口復用的需求，如兩個USB設置之間、USB設備和調試接口或者USB設備和充電設備的充電類型判斷接口等等，但常常並不需要同時工作。在這種場景下，使用USB開關是一個經濟高效節能的方法，用較低的成本、超小的面積代價(1.4mm*1.2mm)和極低的功耗(1uA靜態功耗)即可實現，如帝奧的DIO32320系列，這種方案也廣泛為市場所接受，具體應用如下圖1所示。
圖1 - DIO32320應用電路
近年來，USB Type-C開關得到了廣泛的應用。“功能豐富多樣，同時交互簡便易用”，這個特點在USB Type-C接口得到了很好的體現。自USBIF 2014年發布USB Type-C的規范，因功能豐富(同時支持數據、音頻、視頻和充電)、便捷性(正反插)、高速率數據傳輸、數據和電源均可雙向傳輸、小尺寸等諸多優點，廣泛應用於筆記本電腦、平板和手機中，逐步延伸到各種配件包括TWS耳機等，有逐步統一電子設備接口的趨勢。
由於USB Type-C連接器中的各引腳極為靠近，相鄰引腳的間距只有0.25mm，考慮到VBUS電壓可高達20V，降低的引腳間距增加了在接口受到高電流、高電壓的同時扭絞電纜、連接器內的碎屑積聚或者接口潮濕等都有可能導致Type-C接口的信號線接觸到VBUS的高壓，下游電路可能會受到20V電壓的沖擊而損壞。考慮到D+、D-引腳離VBUS非常近(如下圖2所示)，存在較大的風險，為了保護下游的器件，需要在D+、D-上加上安全可靠的過壓保護電路。在以上圖1的應用場景中，當USB接口類型從Micro-USB接口切換到USB-C的接口，DIO32320已經不能完全覆蓋實際應用，帝奧的DIO5000正是一款應運而生的芯片。
圖2 - USB Type C接口
DIO5000是一種高速、低功耗的雙刀/雙擲(DPDT)模擬開關帶20V過壓保護功能，支持從2.3V到5.5V電源供電。DIO5000設計用於在手持設備(如手機、數碼相機和筆記本電腦，帶有集線器或控制器)中切換高速USB 2.0信號。
1)過壓保護能力。如下圖3所示，DIO5000在D+/D-引腳上有專用的過壓防護電路，當USB設備斷電或通電時，該電路允許設備承受Vbus對D+或D-短路最高20V電壓，確保自身不被打壞，把高壓和下游電路隔離開來，保護下游電路。OVP電路集成到開關芯片中也大大簡化了設計，減少了解決方案的尺寸，解決了設計者實際應用中的痛點。參考如下圖
圖3 - DIO5000內部框圖
如下圖4所示，當數據線上電壓過高，DIO5000內部的OVP保護電路開始起作用，最大電壓高到5.5V時，OVP就響應，響應速度極快，平均響應時間為10.4nS，能很快速的斷開連接，保護內部電路不被高壓加載而損壞。
Vcc=3.3V 全帶寬 VD=4.0-21V USB Load=50ohm Cusb+=5pF
最大為5.5V OVP響應時間為10.4nS
圖4 - DIO5000高壓測試
2.)USB眼圖。總所周知，USB眼圖是衡量USB信號是否能很好的通過，或者說信號完整性的最重要的工具之一。眼圖張開越大，對噪音和抖動的容許誤差越大，接收器判斷信號的准確度越高，對系統設計更友好，有更大的線損和寄生電容設計余量，布局和走線的容錯率更高。DIO5000在提供較好的保護功能，確保USB信號良好的傳輸性。下圖5是DIO5000的眼圖測試結果，其眼圖張開程度非常好。
DIO5000
480-Mbps USB2.0 Eye Pattern for USB Switch
圖5 - DIO5000眼圖測試
另外，考慮到便攜式產品對功耗的要求，DIO5000在設計時就力求最小化靜態功耗。如上圖3所示，DIO5000在SEL和/OE管腳上都集成阻抗高達6MΩ的下拉電阻，SEL管腳上的弱下拉電阻在省電的同時，確保缺省狀態下通道1被開通，/OE管腳上的弱下拉電阻確保上電后芯片即可工作。
DIO5000的具體應用請參考下圖6所示:
圖6 - DIO5000應用電路
DIO5000提供綠色QFN2*1.5-10的DIO5000QN10和DQFN1.8*1.4-10封裝的DIO5000LP10，提供客戶設計的靈活性，可工作於-40°C至+85°C的環境溫度范圍。
DIO5000QN10 DIO5000LP10
USB Type-C可以傳輸影音信號，擴展為多種音視頻輸出接口，如HDMI、DVI、VGA接口，甚至能實現達到4K分辨率的擴展。
USB Type-C具有纖薄設計，支持正反插，有更快的傳輸速率，一根線就能整合充電、數據傳輸以及影音傳輸功能。
- USB接口類型
有Type-C，必然也會有Type-A、Type-B，簡單介紹一下USB接口家族的其他成員和實際用途。
在這里需要注意的是，現在大多數人搞不清USB3.1 Gen1和USB3.1 Gen2，最大的差別就是傳輸速率的不同，USB3.1 Gen1的最大傳輸速率可達5Gb/s的理論帶寬，USB3.1 Gen2的最大傳輸速率可達10Gb/s的理論帶寬。所謂USB 3.1 Gen 1就是原來的USB 3.0，USB3.1 Gen2才是真正的USB3.1。由於Gen2標准USB3.1的兼容性解決方案尚未成熟，價格較高，所以現在大多數廠商宣稱支持USB3.1標准的設備，其實都只是使用了USB3.1 Gen1，就是之前所認識的USB3.0。
- USB Type-C與USB3.1的關系：
現在很多人對USB3.1和Type-C這兩個詞之間的界限比較模糊，因為出現的時間相近，誤認為是同一個概念，但事實上並不是。
USB3.1是2013年推出的USB傳輸標准，由USB-IF協會制定。目前USB標准主要有以下幾種，主要區別就在於傳輸速度上：
通過對USB3.1的介紹，能發現USB3.1和USB Type-C是兩個概念。USB 3.1是一項傳輸標准，USB Type-C是一種接口形式（類型）。所以，USB 3.1標准可以支持USB Type A，USB Type B（Micro USB）以及最新的USB Type-C接口類型。USB Type-C接口也可以采用USB2.0、USB3.0、USB3.1等傳輸標准。
參考鏈接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/33710701
https://mp.weixin.qq.com/s/FlzVRktMJczHzAyJe87nUQ