TYPE-C模块PCB设计

TYPE-C接口模块PCB设计

1 . 设计背景

TYPE-C接口模块用途广泛，兼容USB2.0、USB3.0、DP、HDMI、DisplayPort等多种接口，可实现多种设备的连接用以交换数据和供电。

2 . 硬件原理

TYPE-C接口可分为公口和母口两部分，公口与母口的区别主要为针对数据交换的AB端。公口多用于线缆上不过多介绍。

母口实物图

USB Type-C（简称Type-C）是一种可逆的连接器设计，支持正反插拔，广泛应用于各种电子设备中。Type-C接口具有24个引脚，这些引脚分为几类不同的功能区域。下面是一个简要的功能介绍：

1. 电源和地（Vbus, GND）：

   • Vbus（Power）: 提供电源给设备。
   • GND（Ground）: 地线，用于形成完整的电流回路。

2. 数据线（D+ 和 D-）：

   • 在传统的USB接口中，有专门的数据线（D+ 和 D-）用于数据传输。不过在Type-C中，数据线的概念有所变化，使用的是另外的引脚组合来进行数据传输。

3. SuperSpeed 信号（RX+, RX-, TX+, TX-）：

   • 这些引脚用于支持USB 2.0及以上的高速数据传输，其中RX和TX分别代表接收和发送信号对。

4. 配置通道（CC1, CC2）：

   • CC（Config Channel）: 配置信道用于检测插入方向以及协商电力传输能力等。

5. 电压信号（VBUS, ID）：

   • 在某些情况下，Type-C还可以支持额外的电源管理信号。

6. SBU（Side Band Use）：

   • SBU1/SBU2（侧带使用引脚）: 这些引脚可以由制造商定义，用于其他协议或特定用途，比如实现专有的充电协议。

7. CC/DP（Detect Power）：

   • 在某些配置下，CC引脚也可以用来检测电源状态。

8. 接地（GND）：

   • 除了主要的地线外，还有额外的接地引脚以确保良好的电气性能。

9. USB 2.0 数据引脚（D+/D-）：

   • 对于兼容USB 2.0的设备，Type-C提供了专门的引脚用于兼容性。

请注意，实际应用中，某些引脚可能会根据具体的设计需求而有不同的功能分配。此外，Type-C连接器还支持DisplayPort、HDMI、Thunderbolt等多种协议，这使得它非常灵活且多功能。

每个引脚的具体功能可能会因设备的设计和实现不同而有所变化，上述描述是一般情况下的功能分配。如果需要详细的信息，建议参考USB Type-C规范或特定设备的用户手册。

2.1 CC引脚如何工作

USB Type-C（Type-C）连接器中的配置信道（Configuration Channel, CC）引脚是非常重要的，因为它们不仅用于检测连接器是否已正确插入插座，而且还用于确定设备的角色（源或接收器）、电力传输能力和数据通信。

下面是CC引脚的一些基本使用方法：

1. 检测插入正反：

   • 当Type-C插头插入插座时，CC引脚可以检测到连接器的方向。Type-C连接器有两个CC引脚（CC1和CC2），当插入时，其中一个将连接到Vconn（如果支持的话），另一个将连接到接地或其他设备。

2. 设备角色识别：

   • 源设备（如笔记本电脑）通常会在CC引脚上拉高电压，而接收设备（如手机）则通常会将其拉低。这样，当两个设备连接时，可以通过CC引脚的状态来识别哪个设备是源设备，哪个设备是接收设备。

3. 电力传输（PD）协商：

   • CC引脚还用于电力传输（Power Delivery, PD）协商。通过CC引脚，设备之间可以交换电力信息，确定电源供应能力和需求，从而决定电力传输的参数，例如电压和电流等级。

4. 数据通信：

   • 在某些情况下，CC引脚也可以用于简单的数据通信。例如，在Alt Mode（替代模式）下，CC引脚可以用来交换信号，以启用如DisplayPort或Thunderbolt等功能。

5. Vconn 信号：

   • 如果设备支持USB Power Delivery（PD）规范中的主动电缆特性，CC引脚也可以用来为电缆中的电子元件供电（Vconn）。在这种情况下，当连接器插入时，Vconn会通过其中一个CC引脚向电缆供电。

总之，CC引脚在USB Type-C连接器中起到了关键的作用，不仅限于电力传输协议（PD），还包括识别设备的角色、方向检测以及其他可能的功能扩展。具体的应用场景和功能实现可能会根据设备的设计有所不同，因此在设计或使用时应参照最新的USB Type-C规范文档。

2.2 异形TYPE-C接口模块

由于某些时候并不需要告诉数据传输甚至仅仅是充电，因此为降低成本，TYPE-C接口模块的设计并不按照标准的TYPE-C接口设计，而是采用了异形设计。

2.2.1 16针TYPE-C接口模块

上图为16针TYPE-C接口模块的PCB设计。

注意厂家在生产时可能会将GND并在一起，可能看起来向14针。

2.2.2 14针TYPE-C接口模块

异形接口可根据实际需求进行选择不一一列举，如16针、8针、4针、2针等。

3 . 周围电路设计

TYPE-C接口模块的周围电路设计应考虑模块的安全性、可靠性、可维护性等因素，以保证模块的正常工作。

3.1 滤波电路

10uf-100nf电容可用于滤波，但应注意电容的大小和电压，以防止过载。电容参数为经验值，一般适合时钟频率在100MHz以下的应用。注意电容滤波的对象是针对经过整流后信号的波动，而非直接进行整流。10uf电容针对低频杂波，100nf电容针对高频杂波。

3.2 保护电路

在设计带有TYPE-C接口的设备时，确实需要考虑多种环境因素来保护设备不受损害。选用可恢复保险丝（如JK-nSMD050-30型号的PPTC）是一个明智的选择，因为这种元件可以在过流或短路情况下自动切断电流，当故障解除后又能自动恢复正常导通状态，从而提供了一种安全可靠的保护机制。

3.3 公口

公口作为USB线材的一部分一般不需我们考虑周围电路设计。

3.4 元件选型

3.4.1 电容选择

电容选型是电子电路设计中的重要步骤之一，正确的电容选择对保证电路的正常工作至关重要。以下是进行电容选型的一般步骤和考虑因素：

1. 确定电气参数
   根据应用需求，确定以下关键参数：
   • 容量（Capacitance）：电容的基本属性，单位通常是法拉（F），微法（μF），纳法（nF），皮法（pF）等。容量决定了电容存储电荷的能力。
   • 耐压值（Voltage Rating）：即最大工作电压，电容必须承受的最大直流电压或交流电压峰值。选择时需确保工作电压低于耐压值。
   • 容差（Tolerance）：电容实际容量与标称容量之间的允许偏差范围，一般以百分比表示。
   • 温度系数（Temperature Coefficient）：温度变化时电容容量的变化率，对于温度敏感的应用尤其重要。
   • ESR（Equivalent Series Resistance）：等效串联电阻，影响电容的高频特性，尤其是在去耦和滤波应用中。
   • 频率特性：某些应用如RF电路需要考虑电容的频率响应。

1. 考虑物理特性
   除了电气特性外，还需要考虑电容的物理尺寸、封装类型（表面贴装SMD或通孔插装PTH）、重量等因素，以适应电路板的空间限制和安装方式。
   对于手工焊接来说，较大的封装如0805或1206可能更容易处理，因为它们尺寸较大，便于手动定位和焊接。然而，在高密度电路板上，可能需要使用更小的封装如0402或0603。

2. 选择合适的类型
   常见的电容类型有陶瓷电容、铝电解电容、钽电容、薄膜电容等，每种类型都有其特点和适用场合：

• 陶瓷电容：体积小，稳定性好，适用于高频信号处理。
• 铝电解电容：容量大，但ESR较高，适用于电源滤波。
• 钽电容：具有较小的体积和较低的ESR，适用于去耦和滤波。
• 薄膜电容：精度高，稳定性好，适用于要求苛刻的应用。