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用于大电流PD快充的USB-C电子标签线缆设计

导读: 有关USB-C线缆,特别是高频高速线缆的设计和加工看似简单,实际需要非常专业的知识和技能,要做好并不容易,需要考虑好很多细节才能把产品做好。

前言
随着USB PD快充在笔记本电脑、手机等移动设备上的快速普及,我们了解到不少大电流PD电源适配器会搭配一根搭载电子标签芯片(eMarker芯片)、5A电流等级的USB-C 转USB-C线缆。

EN 61000-3-2标准规定了输入功率在75W以上的电子产品必须带功率因数校正(PFC)功能,所以传统的AC-DC电源适配器一般输出额定功率为65W。这样输入功率可以控制在75W以内,以节省了PFC电路的成本。随着PD快充的兴起,很多PD电源适配器沿袭这种功率等级,做成65W的额定功率输出。这样在20V电压输出时,额定输出电流是3.25A。相关产品介绍见《线体分离:小米USB-C电源适配器(65W)CDQ07ZM拆解》和《聊一款华为65W PD充电器》。

USB Type-C规定了搭载eMarker芯片的场合,如表一所示。65W电源适配器的额定输出电流为3.25A,必须用到5A电流等级的线缆,必须搭载eMarker芯片。即使不考虑USB3.1高速信号传输的需求,5A电流等级的线缆必须搭载eMarker芯片。需要说明的是,如果线缆不搭载eMarker芯片,即使电源适配器能够输出65W或以上的功率,设备也只能以最大3A电流、最高60W的功率抽载,电源适配器仍然达不到输出65W功率的要求。

用于大电流PD快充的USB-C电子标签线缆设计

表1. USB Type-C规范规定了搭载eMarker芯片的场合

下文说明了用于大电流PD电源适配器、搭载eMarker芯片的USB2.0 USB-C线缆设计要点。而5A电流等级的USB3.1高速线缆也可以用于同样的充电场合,但是成本要贵很多,不在本文的讨论范围。

USB-C线缆的线路电压降规范

USB Type-C规范定义了USB-C线缆流过电流时候的最大电压降。包含USB-C公头和USB-C母头的所有电压降在内,线缆流过额定等级电流时,GND线上的最大电压降是250mV,而VBUS上的最大电压降是500mV。5A电流等级的线缆,由于传输电流更大其线路阻抗要小于3A电流等级的普通线缆。而线缆长度越长,所选择的线号越粗,以降低线路阻抗。很多线长1.5m的线缆,GND和VBUS均是采用两根线号为AWG22的电线并接而成。

用于大电流PD快充的USB-C电子标签线缆设计

图1. USB-C线缆的线路电压降限制

eMarker线缆架构的选择

第一种eMarker线缆架构:在一个桨片卡(Paddle Card,俗称USB-C连接器)上配备一颗eMarker芯片,而另一个Paddle卡上不带eMarker芯片,如图2所示。两个Paddle Card的VCONN供电由单独一根电线连接。所以这种架构的USB2.0线缆总共有六根电线:GND,VBUS,D+,D-,CC和VCONN。两边的VCONN供电在eMarker芯片上互相隔离,以防止两个VCONN同时由电压驱动,在VCONN 导线上发生冲突。一根线缆只需要一颗eMarker芯片的成本上更优,是主流的选择。

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图2. 只在一个Paddle Card上搭载一颗eMarker芯片示意图

第二种eMarker线缆架构:在两个桨片卡上各自搭载一颗eMarker芯片,如图3所示。这种架构的USB2.0线缆总共有五根线:GND,VBUS,D+,D-,CC。所以一根线缆只需要两颗eMarker芯片,虽然节省了一根电线,成本上还是要贵一些。

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图3. 在每个Paddle Card上各搭载一颗eMarker芯片示意图

eMarker芯片的选择

选择eMarker芯片最核心的有两点:一“小”一“大”。

“小”是指eMarker芯片尺寸小。主流的Paddle Card都往小型化方向走,这样生产出来的线缆会比较美观,成本也更低。同时为了PCB板电路布板的方便,往往要求eMarker芯片尺寸更小,2mm x 2mm的DFN封装是非常理想的选择。

“大”是指eMarker芯片的管间距大。在USB线缆行业,一般是先由连接器厂家生产好Paddle Card,然后再出售给线缆厂家做成线缆成品。连接器厂家加工好的Paddle Card,必须保证非常高的成品率,否则会降低线缆的良品率,给线缆厂家带来额外的成本。常规的不带eMarker芯片的Paddle Card贴片好了以后,可以直接通过带USB-C端口的测试仪器测试合格后,再提供给线缆厂家做成成品。而在带eMarker芯片的Paddle Card上,不与USB-C公头连接的VCONN引脚无法通过带USB-C端口的测试仪器进行测试。而生产测试治具的厂家因为每家VCONN出线焊盘位置不一样,无法做到通用设计,往往不愿开发专门为带eMarker芯片Paddle Card的测试仪器。0.65mm管间距的芯片,在芯片贴片的良率上几乎可以做到100%,这样可以省略VCONN出线焊盘测试的环节,同时也不会降低线缆的良品率。而作为对比,某品牌的WLCSP封装,贴片失效率一直保持在2%-4%左右,这些成本直接通过线缆厂家转嫁到消费者身上。

图4. Paddle Card实物照片

除了以上两点,通过USB PD3.0认证、支持多次烧写和烧写锁死也是选择eMarker芯片的重要因素。值得一提的是,Hynetek慧能泰的eMarker芯片异军突起,凭借着良好的设计和优秀的品质,受到众多国际著名品牌的青睐,不失为国产芯片的一面旗帜。

Paddle Card的硬件设计

USB2.0的USB-C公头定义见图5所示。除了A1、A4、A5、A6、A7、A9、A12、B1、B4、B5,B9和B12,其他引脚均为空脚。

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图5. USB2.0的公头定义

搭载eMarker芯片的USB-C线缆的参考原理图见图6所示。里面包含两个Paddle Card:Plug A和Plug B。Plug A搭载eMarker芯片,Plug B不搭载eMarker芯片。Plug A和Plug B通过六根线连接。

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图6. 搭载eMarker芯片的USB2.0 线缆参考原理图

Paddle Card的出线可以分为三类,总共六根线:

USB2.0数据线D+/D-。

Type-C通讯线CC和VCONN。

电源VBUS及地GND,传输5A电流。

有些线缆不传输USB2.0的数据,只要传输5A电流即可。这样的线缆的出线只要VBUS、GND、CC和VCONN共4根线即可。

Paddle Card的PCB设计要点:

采用普通的FR4材质的PCB材料即可,建议采用四层PCB,满足5A电流传输等级。内层的第二层和第三层分别走VBUS和GND。

根据公头的规格,PCB厚度及公差满足设计要求。

Top层放置出线焊盘。而eMarker芯片及阻容器件均放在Bottom底层。

D+/D-走线考虑阻抗匹配,平行、等长走线。

控制PCB的长度和宽度,推荐尺寸为8.4mm x 6mm。

eMarker芯片的烧写和测试

YG-508H烧写器是一种高性能、用户友好的eMarker烧写器,见图7所示。YG-508H可支持离线烧写和在线烧写两种烧写模式。友好的图形化用户界面可以帮助用户快速完成烧写配置,配置好的设置可以保存在电脑上,供下次调用,或者下载到烧写器里面用于离线式烧写。

YG-508H的一个很好功能是支持离线自动烧写。在离线模式下,只要操作员插入Paddle Card或者成品线缆,不需要额外操作,YG-508H就会自动完成烧写,并用提示音提示操作员拔出Paddle Card或者成品线缆。由于烧写用时很短,烧写的效率非常高。

用于大电流PD快充的USB-C电子标签线缆设计

图 7. YG-508H烧写器软件界面

带eMarker芯片的成品线缆,可采用YG-620 Type-C数据综合测试仪完成各项功能测试,包括常规的USB-C线缆功能测试和eMarker芯片的测试。测试仪上有两个Type-C母座,把待测线缆两端公头分别插入两个母座,启动测试程序,就可以完成成品线缆的测试。图8 是YG-620 Type-C数据综合测试仪测试成品线缆的照片。图9给出了相应的测试结果。

图8. YG-620 Type-C数据线综合测试仪测试线缆的照片

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图8. YG-620 Type-C数据线综合测试仪测试结果界面

后记

有关USB-C线缆,特别是高频高速线缆的设计和加工看似简单,实际需要非常专业的知识和技能,要做好并不容易,需要考虑好很多细节才能把产品做好。本文重点讨论了线缆电子方面的设计要点,涉及内容也比较粗浅,希望能抛砖引玉,让更多的专业人士参与进来交流,共同发展USB-C线缆产业。

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