用于大電流PD電源適配器的USB線纜設計要點

前言

隨著USB PD快充在筆記本電腦、手機等移動設備上的快速普及，我們了解到不少大電流PD電源適配器會搭配一根搭載電子標簽芯片（eMarker芯片）、5A電流等級的USB－C 轉USB－C線纜。

EN 61000－3－2標準規定了輸入功率在75W以上的電子產品必須帶功率因數校正（PFC）功能，所以傳統的AC－DC電源適配器一般輸出額定功率為65W。這樣輸入功率可以控制在75W以內，以節省了PFC電路的成本。隨著PD快充的興起，很多PD電源適配器沿襲這種功率等級，做成65W的額定功率輸出。這樣在20V電壓輸出時，額定輸出電流是3．25A。相關產品介紹見《線體分離：小米USB－C電源適配器（65W）CDQ07ZM拆解》和《聊一款華為65W PD充電器》。

USB Type－C規定了搭載eMarker芯片的場合，如表一所示。65W電源適配器的額定輸出電流為3．25A，必須用到5A電流等級的線纜，必須搭載eMarker芯片。即使不考慮USB3．1高速信號傳輸的需求，5A電流等級的線纜必須搭載eMarker芯片。需要說明的是，如果線纜不搭載eMarker芯片，即使電源適配器能夠輸出65W或以上的功率，設備也只能以最大3A電流、最高60W的功率抽載，電源適配器仍然達不到輸出65W功率的要求。

表1． USB Type－C規范規定了搭載eMarker芯片的場合

下文說明了用于大電流PD電源適配器、搭載eMarker芯片的USB2．0 USB－C線纜設計要點。而5A電流等級的USB3．1高速線纜也可以用于同樣的充電場合，但是成本要貴很多，不在本文的討論范圍。

USB－C線纜的線路電壓降規范

USB Type－C規范定義了USB－C線纜流過電流時候的最大電壓降。包含USB－C公頭和USB－C母頭的所有電壓降在內，線纜流過額定等級電流時，GND線上的最大電壓降是250mV，而VBUS上的最大電壓降是500mV。5A電流等級的線纜，由于傳輸電流更大其線路阻抗要小于3A電流等級的普通線纜。而線纜長度越長，所選擇的線號越粗，以降低線路阻抗。很多線長1．5m的線纜，GND和VBUS均是采用兩根線號為AWG22的電線并接而成。

圖1． USB－C線纜的線路電壓降限制

eMarker線纜架構的選擇

第一種eMarker線纜架構：在一個槳片卡（Paddle Card，俗稱USB－C連接器）上配備一顆eMarker芯片，而另一個Paddle卡上不帶eMarker芯片，如圖2所示。兩個Paddle Card的VCONN供電由單獨一根電線連接。所以這種架構的USB2．0線纜總共有六根電線：GND，VBUS，D＋，D－，CC和VCONN。兩邊的VCONN供電在eMarker芯片上互相隔離，以防止兩個VCONN同時由電壓驅動，在VCONN 導線上發生沖突。一根線纜只需要一顆eMarker芯片的成本上更優，是主流的選擇。

圖2． 只在一個Paddle Card上搭載一顆eMarker芯片示意圖

第二種eMarker線纜架構：在兩個槳片卡上各自搭載一顆eMarker芯片，如圖3所示。這種架構的USB2．0線纜總共有五根線：GND，VBUS，D＋，D－，CC。所以一根線纜只需要兩顆eMarker芯片，雖然節省了一根電線，成本上還是要貴一些。

圖3． 在每個Paddle Card上各搭載一顆eMarker芯片示意圖

eMarker芯片的選擇

選擇eMarker芯片最核心的有兩點：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，這樣生產出來的線纜會比較美觀，成本也更低。同時為了PCB板電路布板的方便，往往要求eMarker芯片尺寸更小，2mm x 2mm的DFN封裝是非常理想的選擇。

“大”是指eMarker芯片的管間距大。在USB線纜行業，一般是先由連接器廠家生產好Paddle Card，然后再出售給線纜廠家做成線纜成品。連接器廠家加工好的Paddle Card，必須保證非常高的成品率，否則會降低線纜的良品率，給線纜廠家帶來額外的成本。常規的不帶eMarker芯片的Paddle Card貼片好了以后，可以直接通過帶USB－C端口的測試儀器測試合格后，再提供給線纜廠家做成成品。而在帶eMarker芯片的Paddle Card上，不與USB－C公頭連接的VCONN引腳無法通過帶USB－C端口的測試儀器進行測試。而生產測試治具的廠家因為每家VCONN出線焊盤位置不一樣，無法做到通用設計，往往不愿開發專門為帶eMarker芯片Paddle Card的測試儀器。0．65mm管間距的芯片，在芯片貼片的良率上幾乎可以做到100％，這樣可以省略VCONN出線焊盤測試的環節，同時也不會降低線纜的良品率。而作為對比，某品牌的WLCSP封裝，貼片失效率一直保持在2％－4％左右，這些成本直接通過線纜廠家轉嫁到消費者身上。

圖4． Paddle Card實物照片

除了以上兩點，通過USB PD3．0認證、支持多次燒寫和燒寫鎖死也是選擇eMarker芯片的重要因素。值得一提的是，Hynetek慧能泰的eMarker芯片異軍突起，憑借著良好的設計和優秀的品質，受到眾多國際著名品牌的青睞，不失為國產芯片的一面旗幟。

Paddle Card的硬件設計

USB2．0的USB－C公頭定義見圖5所示。除了A1、A4、A5、A6、A7、A9、A12、B1、B4、B5，B9和B12，其他引腳均為空腳。

圖5． USB2．0的公頭定義

搭載eMarker芯片的USB－C線纜的參考原理圖見圖6所示。里面包含兩個Paddle Card：Plug A和Plug B。Plug A搭載eMarker芯片，Plug B不搭載eMarker芯片。Plug A和Plug B通過六根線連接。

圖6． 搭載eMarker芯片的USB2．0 線纜參考原理圖

Paddle Card的出線可以分為三類，總共六根線：

USB2．0數據線D＋／D－。

Type－C通訊線CC和VCONN。

電源VBUS及地GND，傳輸5A電流。

有些線纜不傳輸USB2．0的數據，只要傳輸5A電流即可。這樣的線纜的出線只要VBUS、GND、CC和VCONN共4根線即可。

Paddle Card的PCB設計要點：

采用普通的FR4材質的PCB材料即可，建議采用四層PCB，滿足5A電流傳輸等級。內層的第二層和第三層分別走VBUS和GND。

根據公頭的規格，PCB厚度及公差滿足設計要求。

Top層放置出線焊盤。而eMarker芯片及阻容器件均放在Bottom底層。

D＋／D－走線考慮阻抗匹配，平行、等長走線。

控制PCB的長度和寬度，推薦尺寸為8．4mm x 6mm。

eMarker芯片的燒寫和測試

YG－508H燒寫器是一種高性能、用戶友好的eMarker燒寫器，見圖7所示。YG－508H可支持離線燒寫和在線燒寫兩種燒寫模式。友好的圖形化用戶界面可以幫助用戶快速完成燒寫配置，配置好的設置可以保存在電腦上，供下次調用，或者下載到燒寫器里面用于離線式燒寫。

YG－508H的一個很好功能是支持離線自動燒寫。在離線模式下，只要操作員插入Paddle Card或者成品線纜，不需要額外操作，YG－508H就會自動完成燒寫，并用提示音提示操作員拔出Paddle Card或者成品線纜。由于燒寫用時很短，燒寫的效率非常高。

圖 7． YG－508H燒寫器軟件界面

帶eMarker芯片的成品線纜，可采用YG－620 Type－C數據綜合測試儀完成各項功能測試，包括常規的USB－C線纜功能測試和eMarker芯片的測試。測試儀上有兩個Type－C母座，把待測線纜兩端公頭分別插入兩個母座，啟動測試程序，就可以完成成品線纜的測試。圖8 是YG－620 Type－C數據綜合測試儀測試成品線纜的照片。圖9給出了相應的測試結果。

圖8． YG－620 Type－C數據線綜合測試儀測試線纜的照片

圖8． YG－620 Type－C數據線綜合測試儀測試結果界面

后記

有關USB－C線纜，特別是高頻高速線纜的設計和加工看似簡單，實際需要非常專業的知識和技能，要做好并不容易，需要考慮好很多細節才能把產品做好。本文重點討論了線纜電子方面的設計要點，涉及內容也比較粗淺，希望能拋磚引玉，讓更多的專業人士參與進來交流，共同發展USB－C線纜產業。