FPGA有助加速實現USB Type-C介面設計。開發人員可充分利用高整合FPGA技術，提供小尺寸、低功耗及可編程設計彈性，進而快速達成USB Type-C連接器的供電協議、電纜偵測及訊號處理等複雜要求，並確保筆電、平板及手機維持輕薄設計。
20年前，第一代通用序列匯流排(Universal Serial Bus, USB 1.0)的出現，為分裂的電子業通訊標準注入了互通性，而最新發布的USB Type-C介面規範更將USB技術提升到一個新的高度，同時也將再一次改變電腦、消費性電子產品以及行動裝置之間的互連方式。
輕薄、堅固且無須區分插頭方向的USB Type-C連接器拓展了由USB 3.1 SuperSpeed+規範定義的各項功能，採用雙通道實現高達20Gbit/s的總頻寬，最多能夠將高清電影和3D圖像等大型檔的傳輸時間減少一半。此外，由於USB Type-C介面的高功率特性，可實現高達100瓦(W)的快速充電，以及為筆記型電腦、監視器和電視機等大型裝置供電；其還具備多項獨一無二的特性，包括新的視訊模式--使用USB連接器和電纜傳輸顯示埠(DisplayPort, DP)、VGA和HDMI等格式的影片。
USB Type-C介面將為消費者帶來諸多激動人心的新特性。不過，要發揮出USB Type-C介面的潛能，設計人員必須根據設計需求實現USB Type-C的供電(Power Delivery, PD)協議、電纜方向偵測、高速訊號切換，以及供應商自訂訊息(Vendor Defined Messaging, VDM)功能。
挾強大充電功能 Type-C躍升USB介面明日之星
USB Type-C介面的命名源於USB Type-C連接器(圖1)，USB開發者論壇(USB Implementers Forum, USB-IF)設計了這個堅固、易於使用的介面來替代當今行動裝置中廣泛使用、易於損壞的Micro-B連接器。
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| 圖1 USB Type-C |
這款24接腳連接器的機械設計反應了設計人員從Micro-B連接器上獲得的歷史教訓，其無須確定插入的正反方向並可實現一萬次的插拔；使用者再也不須要擔心「哪頭上，哪頭下」，因為USB Type-C連接器沒有正反方向之分，所以從任一方向插拔皆可。此外，不像其他大多數USB電纜，USB Type-C電纜兩端使用相同的插頭。
USB Type-C電纜包含兩組支援10Gbit/s USB 3.1 SuperSpeed+標準的Tx/Rx訊號通道，提供了20Gbit/s總頻寬，理論上可加速兩倍的資料傳輸和下載時間，並保留單獨一組接腳給使用USB 2.0連接的傳統應用。
該電纜還包含配置通道(Configuration Channel, CC)，可用於發現、配置和管理USB Type-C的先進供電(Power Delivery)功能，為外設或行動裝置實現高達100瓦的供電能力。
除了最新的USB標準中定義的上行資料流程埠(Upstream-Facing Port, UFP)和下行資料流程埠(Downstream-Facing Port, DFP)，USB Type-C規範還定義雙重用途埠(Dual Role Port, DRP)，可做為DFP或UFP兩者中任一個進行工作。
DRP可被永久地配置為DFP或UFP，也能在這兩種埠間動態切換。值得注意的是，後者的雙重用途埠(Dual-role Port)是指供電功能，與USB供電(Power Delivery)規範中的術語不同。
該標準還可以擴展用於非USB應用的連接。結構化的VDM允許主機發現和配置連接裝置的可選模式，重新分配訊號對用於非USB埠，如PCIe或顯示埠(DisplayPort)；非結構化的VDM允許供應商傳輸供應商專用資訊和配置控制資料。
USB Type-C連接器的24個接腳在插頭中呈對稱分布，可實現正常或反向的插拔。對於用戶使用來說很方便，有一部分的連接是對稱的，即USB連接是無須考慮方向的(圖2)。
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| 圖2 USB Type-C連接器的接腳和主要訊號分配連接器 |
據了解，USB Type-C介面的對稱連接包含：
剩餘的連接是非對稱的，也就是說在連接器插入方向錯誤時這些連接無法正常工作，除非這些埠在電氣或邏輯方面做修正。
USB Type-C的非對稱連接包含：
USB Type-C應用挑戰重重
目前，要將USB Type-C介面添加到新的設計中，需要設計工程師進行系統晶片開發來增加新的功能，因為無論是現有系統中的實體層(PHY)、微控制器(MCU)還是應用處理器(Application Processor, AP)都不支援USB Type-C介面的多項關鍵功能。
這些必要的功能包含電纜偵測(Cable Detect, CD)、SuperSpeed+切換控制、PD協商，以及VDM。
首先，USB Type-C介面添加了大量絕大多數USB Type-C裝置都需要的PHY功能。舉例來說，大多數USB Type-C裝置需要電纜偵測功能，用於判斷連接到的是DFP還是UFP及電纜方向。
該機制透過在CC1和CC2通道上加上拉和下拉電阻，要實現CD功能，裝置必須要能測得這些上拉和下拉電阻上的各種電壓值。任何CD解決方案都需要能夠測量這些類比電壓。
如果想要充分利用供電通訊來協商獲得更高功率、切換埠功能或使用VDM，就必須實現PD PHY。PD通訊使用一條CC通道，由USB供電規範定義，其採用半雙工通訊機制，使用雙相標示編碼(Bi-phase Mark Coding, BMC)傳輸4b5b編碼的資料，可簡化接收器設計。BMC可被視為一種曼徹斯特(Manchester)編碼；此外，資料使用循環冗餘檢查(Cyclic Redundancy Checking, CRC)演算法來防止資料錯誤。
儘管使用通用微控制器能夠實現PD PHY，但是對於要求低功耗的解決方案來說，使用邏輯型的裝置更加合適。
再者，在沒有主系統處理器的情況下實現供電協商功能，如果想要讓UFP能夠利用USB Type-C提供的更高功率供電，就要發出一個供電協議要求，DFP同意該供電要求或者給出他所能提供的供電功率，一旦協商成功，供電協議也就相應地成立。
但是在很多情況下，沒有系統處理器來實現上述功能。舉例來說，智慧充電器並不包含系統處理器；其次，可能需要在電池沒電的情況下進行供電協定協商來實現快速充電。還有，若同時為筆記型電腦和智慧手機供電時，最好讓主處理器處於休眠模式。
雖然有很多方式可實現這種協商功能，但使用尺寸極小、功耗極低的方案將功能整合到現有的晶片中會是比較理想的選擇。
另一項挑戰是，支援結構化和非結構化的VDM。正如上述所提，結構化的供VDM能夠用於協商使用諸多標準化的可選模式，以擴展USB Type-C功能。設計人員須要同時實現USB PD規範中定義模式的協商，以及控制高速切換的功能，用於給USB連接器內的資料對傳輸合適的訊號。
非結構化的供應商自訂消息允許製造商實現非標準化的功能。這可能包含使用閒置的訊號通道來實現一些客制化的功能，如底座和固定在底座上的裝置間的通用I/O(GPIO)聚合或者為挑戰與應答驗證機制傳輸資料，設計人員必須實現通訊功能及所需的處理、切換控制和其他硬體。
同樣地，還有很多設計方式可以實現與VDM相關的協商和控制機制。但是，真正的挑戰主要還是在於如何透過整合來實現設計成本最低，以及尺寸最小的目標。
借助可編程特性 FPGA實現高彈性Type-C介面
本文的最後一部分提供相關實例來說明如何使用FPGA技術快速實現USB Type-C介面，並且充分利用該標準所提供的諸多優勢。透過整合的方式提供小尺寸、邏輯型的設計，以獲得極低的功耗及大彈性，並可按需求進行其他的更改。
適用智慧充電器的FPGA型PD功能
由於USB Type-C介面最早出現在平板電腦、智慧型手機和其他行動裝置上，他們要求充電器能夠充分利用PD協商功能為充電裝置提供所需電壓和電流，並協商供電協議(Power Contract)來最大化滿足裝置的需求。
一旦供電協定建立，PD必須將電壓和電流需求傳輸至充電器內部的電源管理積體電路(Power Management Integrated Circuit, PMIC)以獲得協定規定的電流和電壓。
值得關注的一點是，設計中須包含電纜偵測功能以選擇正確的CC線路，用於PD通訊。不過由於充電器和電源不用參訪USB的高速或SuperSpeed+資料流程，所以不須要包含這些訊號通道的切換控制邏輯。
目前晶片商藉由FPGA技術將CD、PD PHY和PD協議協商功能整合到單個裝置中，並採用便於設計量產的QFN封裝(圖3)；彈性的I/O技術可用於實現所需的類比功能。邏輯型的編碼、解碼和CRC功能可實現低功耗的BMC通訊；且使用邏輯和嵌入式處理器實現的PD管理功能獲得最好的低功耗和低成本解決方案。
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| 圖3 使用FPGA實現用於充電器的CD/PD功能 |
此外，非結構化的VDM可被傳輸至嵌入式處理器用於實現諸如驗證等功能。
適用行動裝置的FPGA型「CD/PD-Lite」功能
針對將USB Type-C介面做為主要I/O和供電連接的智慧手機、平板電腦和其他行動裝置，圖4展示的「CD/PD-Lite」解決方案提供CD和PD PHY功能，低成本的2.5×2.5毫米(mm)小尺寸封裝無疑是大批量應用的理想選擇。
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| 圖4 適用於行動裝置的CD/PD Lite功能 |
基於AP的PD協商功能可實現極低的成本，由於行動裝置通常透過USB埠交換資料，該設計中的CD功能提供控制訊號來實現SS切換。
適用於行動裝置的CD/PD功能
正如前文提到的，許多產品想在沒有系統處理器干預的情況下進行PD和VDM協商，圖5展示的解決方案提供了這樣的功能，能根據不同的情況，處理器在空閒時可詢問PD功能以判斷狀態，修改載入的預設設置。
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| 圖5 適用於行動裝置的CD/PD功能 |
該解決方案提供便於設計量產的QFN封裝以及多種小尺寸的球柵陣列(BGA)封裝，可做為DRP工作；此外，其分離式的特性可實現電池沒電情況下的供電協定協商功能。
適用於裝置底座的CD/PD功能
可以預期USB Type-C介面將為裝置底座類產品帶來大量創新功能，複雜的連接器系統現在可以由簡單的USB Tpye-C電纜替代。這些裝置將透過USB Tpye-C連接器集合多種類型的訊號，包括序列式先進附加介面(SATA)、乙太網、PCIe、DP、HDMI和VGA；另外，底座以及固定在底座上的裝置間還需要傳輸GPIO訊號來控制LED和監控控制開關的狀態。
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| 圖6 適用於裝置底座應用的CD/PD功能 |
圖6展示的解決方案為前文重點說明的CD/PD解決方案。I/O數量增加約50~60%，可用來控制多個開關；此外，還添加了GPIO訊號集合功能，用於在底座和固定在底座上的裝置間傳輸通用I/O訊號。該解決方案提供適用於平板電腦和智慧手機的0.4毫米接腳間距BGA封裝，以及適用於裝置底座和筆記型電腦的0.8毫米接腳間距BGA封裝。
(本文作者為萊迪思半導體新興方案總監)