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防過熱/雙向供電/耳機盲插 Type-C晶片小處見用心
新通訊 20186 月號 208 期《 技術前瞻 》
文.洪乃全/翁繼民/朱碧偵/蘇怡安
USB Type-C日趨重要,而消費者的使用習慣在技術演進的浪潮中亦須被關注。筆電設計傾向輕薄,以往其厚度受限於體積較大的介面接口,如網口(RJ-45)、HDMI、VGA等,而今透過USB Type-C協議之替代模式(Alt Mode),即可輕易解決相關問題。消費者選購時,只須挑選符合使用習慣的擴展基座即可。
Apple MacBook即是具代表性的產品,MacBook僅有USB Type-C基座,但搭配各種擴展基座,就能擴展使用功能及使用者需求情境,提供充電與數種相關介面轉換(圖1)。而本文將提出纜線和擴展基座設計的關鍵技術與解決方案,對市面上常見的溫度、充電與傳輸問題提出討論。 

圖1 USB Type-C相關介面轉換
如何提升USB Type-C纜線使用體驗 

USB Type-C是目前最先進的連接器標準,也是未來高速訊號有線傳輸的發展趨勢,目前市面上搭載USB Type-C介面的產品與日俱增,也伴隨著更多的USB Type-C纜線的使用需求。單純從外觀來看,大部份USB Type-C纜線並無特殊差異,一般消費者在選購時難以分辨纜線品質的優劣。 

協會規範賦予USB Type-C正反面皆可插拔的特色,對於內部金屬接點之機構也定有標準,相較於Type-A或Micro-B,更能承受多次插拔或意外拉扯。然而,由於USB Type-C的體積較小,接口尺寸僅8.3×2.5mm,有24個引腳,故其引腳亦較小,須承載最大電流5安培(A)及高達100瓦(W)的功率,經過多次使用可能導致纜線之接口入塵、受潮、鏽蝕或遭異物污染,容易造成接頭內電阻的短路現象,進而引發過熱,甚至存在燒毀手機、筆記型電腦、平板等行動裝置的風險。因此,如何保護USB Type-C纜線是不容忽視的重要課題。 

USB Type-C纜線保護方式 

正溫度係數熱敏電阻 

正溫度係數(PTC)熱敏電阻是一種具溫度敏感性的半導體發熱陶瓷電子元件,室溫下會保持恆定的電阻值,一旦超過某個溫度,電阻值就會急遽升高。當USB Type-C介面發熱時,PTC熱敏電阻會因溫度升高而急遽拉高內電阻,使流經Vbus的電流變小,元件溫度降低;元件溫度降低後,電阻值再度減小,使電路電流增加,元件溫度升高,周而復始,讓溫度保持在特定範圍,達到保護之作用。缺點是PTC熱敏電阻在常溫也有內電阻,會增加功耗,且大電流的PTC熱敏電阻會增加載板(Paddle Card)的面積(圖2)。 

圖2 利用PTC熱敏電阻形成纜線保護機制
負溫度係數熱敏電阻 

負溫度係數(NTC)熱敏電阻是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料,採用陶瓷工藝製造而成。此類金屬氧化物材料都具有半導體性質,因此導電方式類似鍺、硅等半導體材料:溫度低時,這些氧化物材料的載子(Charge Carrier)數目少,所以電阻值較高,而隨著溫度的升高,載子數目也會增加。因此常溫時電阻較大,正常工作時若串接對地消耗功率不大,當溫度上升後,其電阻會變小。 

在USB Type-C接口發熱的情況下,NTC熱敏電阻會因溫度升高而降低內阻,由內部數位類比轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)讀值判斷,達設定之溫度保護點後,驅動金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)切斷Vbus電源,以達到保護作用。 

雖然NTC熱敏電阻的體積比大電流之PTC熱敏電阻小,且常溫功率耗損低、量測精度高,但必須增加ADC與MOSFET的成本,因此對於錙銖必較的纜線成本較為不利(圖3)。 

圖3 利用NTC熱敏電阻形成纜線保護機制
電子標記晶片之內部溫度保護偵測 

電子標記(E-marker)晶片的內部溫度保護偵測,是利用E-marker晶片內部溫度保護偵測(ITS)功能,當USB Type-C接口發熱,會傳導至E-marker晶片,內部溫度升高至晶片設定之溫度保護點後,將內部CC(Configuration Channel)訊號上拉,約2毫秒(ms)後,會促使通用序列匯流排電力傳輸(USB PD)供電端超過連結時間,讓USB PD機制重啟,切斷Vbus電源達到保護功能。重啟後會再次偵測此時溫度是否恢復,並持續循環。市面上已有USB Type-C與USB PD晶片供應商將此功能導入產品,其所增加的成本極小卻可以有效保護USB Type-C纜線(圖4)。 

圖4 利用E-marker晶片形成纜線保護機制
綜合上述,PTC熱敏電阻會增加功耗及載板大小。NTC熱敏電阻精確度較高,但相對來說成本也較高。而使用E-marker晶片保護USB Type-C纜線,可盡量不增加載板面積且成本低,是三種方式中較推薦的保護方法。 

USB Type-C擴展基座與轉接器的普及 

USB Type-C在行動裝置的滲透率日益升高,相較於Type-A及Micro-B埠其體積較小,符合行動裝置設計更輕薄的需求,而支援正反插的設計也更貼近使用情境。USB Type-C的CC腳位可讓主控端與裝置端進行Alt-mode協議與多種規格傳輸,如USB 2.0、USB 3.1 Gen1(5Gbps)、USB 3.1 Gen2(10Gbps)、DisplayPort、HDMI等。透過USB Type-C介面,PD 2.0/PD 3.0協議可讓受電端(Sink)與供電端(Source)自由配對5V至20V的電壓,讓受電端可選擇最合適的充電電壓,以達成高速充電的目的,最高可達100W(20V/5A)供電。USB Type-C也支援電源角色互換(Power Role Swap)與資料源角色互換(Data Role Swap),更增添USB Type-C擴展基座的功能完整性。實現多協議支援,讓資料、充電及影像傳輸可同時運行,是USB Type-C擴展基座普及的關鍵。 

USB Type-C支援電源角色互換,當擴展基座只連接筆記型電腦,擴展基座的電力來自筆電,可稱之為「Bus-Powered Mode」(圖5)。當擴展基座再連接上USB PD電源充電器,此時電力轉由充電器提供,並同時可對筆電供電,稱之為「Charge Through Mode」(如圖6)。目前市面已上有業者推出單晶片整合方案,如威鋒電子的VL10X方案,即整合對上與對下的USB PD晶片,內建告示板(Billboard)再搭配集線器控制晶片,以縮短擴展基座的設計與生產時程。而這也是目前市面上較普遍被採用的解決方案。 

圖5 Bus-Powered Mode示意圖
圖6 Charge Through Mode示意圖
手機USB Type-C介面待解問題 

現今手機運算功能日趨強大,人們對手機的依賴程度增高,手機大廠如三星、華為等皆推出USB Type-C手機。透過擴展基座與轉接器,使用者可將手機變桌機:當手機接上擴展基座將畫面延伸擴展至螢幕,螢幕所顯示的操作模式是熟悉的Windows或Chrome OS,與使用桌機無異。商務人士出差時,只須透過擴展基座即可達成隨處皆為行動辦公室的理想情境,省去攜帶筆電的負擔。此外,隨著手機遊戲與線上影集平台的蓬勃發展,將手機投影到大螢幕的需求也因此日益攀升。 

手機高壓充電與內部降壓所產生之發熱問題,長久以往是難解之題,但透過USB Type-C PD 3.0規範的可編程電源供應(PPS)可解決此困境。 

USB Type-C雖帶來便利,然而汰換介面也會產生難以兼顧的新問題。為節省空間並改善手機防水功能,手機商陸續將3.5mm耳機孔自設計中移除,手機僅配置單一USB Type-C埠,消費者無法於使用耳機的同時為手機充電。為解決此問題,市場上出現新款轉接器,一個USB Type-C埠加上一個3.5mm耳機孔,其缺點為無法實現快速充電,購買手機時所附贈之USB Type-C耳機也無法使用;另一種新式轉接器為兩個USB Type-C埠,指定其一USB Type-C埠為充電使用,另一埠即為USB Type-C耳機孔,其缺點是使用者無法從外觀一眼分辨何者支援充電或耳機功能。 

對此,廠商推出VL104晶片,同時整合上行埠與兩個下行USB Type-C埠,兩個下行埠皆支援充電與聽音樂,並將原本線路中的升降壓轉換器(Buck-Boost)整合入晶片,且支援自動省電模式(Auto-Standby),當轉接器未運作時,可自動進入休眠,實現智慧省電。 

(本文作者皆任職於威鋒電子)

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