技术领域
[0001] 本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种接口设计架构、Type‑C接口和电子设备。
相关背景技术
[0002] Type‑C 作为一种新兴的接口标准，可以正反插，广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备中。Type‑C 接口中包括2对USB2.0信号，这2对USB2.0 信号采用菊花链走线模式，设计成2对信号引脚，这两对信号引脚分别设置在PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）板卡的两个信号层中，且这两对信号引脚共用一对USB2.0 信号走线，在插头处，这两对信号引脚短路成为一路。
[0003] 当Type‑C 接口无论是正面插入还是反面插入，都会是以下情况：其中一个信号层上的信号引脚进入工作模式，另一信号层上的信号引脚相连接的走线变成多余的走线。由于这两对信号引脚分别设置在两个信号层上，且两对引脚的设计结构如图1‑3所示，导致在其中一对信号引脚工作时，另一对不工作的信号引脚连接的走线过长。
具体实施方式
[0060] 本发明的核心是提供一种接口设计架构、Type‑C接口和电子设备，可以有效减小两对信号引脚连接的走线长度，避免在其中一对信号引脚工作时，另一对不工作的信号引脚连接的走线过长的问题，可以提高Type‑C接口的信号传输效率和稳定性。
[0061] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062] 本发明提供了一种接口设计架构，如图1所示，应用于Type‑C接口，接口设计架构包括两对信号引脚，且两对信号引脚设置于Type‑C接口的同一面，接口设计架构还包括：
[0063] 印刷电路板；
[0064] 第一差分传输线11，设置在印刷电路板上的第一信号层01上，第一差分传输线11的正极和负极分别与第一对信号引脚15连接；
[0065] 第二差分传输线12，第二差分传输线12的两条线分别设置在第二信号层02和第三信号层03上，且第二信号层02和第三信号层03相邻，第二差分传输线12的正极和负极分别与第二对信号引脚16连接；
[0066] 第一通孔13，设于第一信号层01和包括第二差分传输线的正极的信号层之间，用于连接第一差分传输线11的正极和第二差分传输线12的正极；
[0067] 第二通孔14，设于第一信号层01和包括第二差分传输线的负极的信号层之间，用于连接第一差分传输线11的负极和第二差分传输线12的负极。图1中，将第一对信号引脚15设置为贴片式引脚，将第二对信号引脚16设置为通孔式引脚。
[0068] 具体而言，Type‑C接口因其正反插的便利性而广泛应用于移动设备中。其中，USB2.0信号通过菊花链走线模式在PCB板上设计。在目前已有的设计中，由于两对信号引脚分别设置在不同的信号层上，并且共用一条走线，这导致了在插头处一对信号引脚工作时，另一对不工作的信号引脚连接的走线过长。
[0069] 本发明提供的接口设计架构应用于Type‑C接口，且架构中的两对信号引脚设置在同一面上，该架构用于解决传统设计中信号引脚分布在不同信号层的问题。
[0070] 首先对该架构中各个部分进行介绍，印刷电路板（PCB），承载电子元件和电路连接的基板，多层设计，允许在不同层上布置电路和元件。第一差分传输线11，设置在PCB的第一信号层01上，包含正极和负极两条线，分别连接到第一对信号引脚15，用于传输USB2.0信号。第二差分传输线12，正极线设置在第二信号层02，负极线设置在第三信号层03，且第二信号层02和第三信号层03相邻，第二差分传输线12同样包含正极和负极两条线，分别连接到第二对信号引脚16，其作用与第一差分传输线11类似，用于传输USB2.0信号。需要注意的是，这里因为正负极分别位于相邻的信号层，且通过通孔连接，这种设计避免了走线过长的问题。具体而言，第一通孔13位于第一信号层01和包含第二差分传输线正极的信号层之间；第二通孔14位于第一信号层01和包含第二差分传输线负极的信号层之间。通过通孔连接不同信号层上的差分传输线，确保正负极信号的正确传输。
[0071] 本发明的设计原理为：将两对信号引脚设置在同一面上，并通过在不同信号层上设置差分传输线的正负极来避免走线过长，通过通孔连接不同层的传输线，确保信号的连续性和质量。
[0072] 在一种实施例中，这里的通孔可以是指贯穿PCB板所有层的孔（如第一通孔13和/或第二通孔14从PCB板的顶层贯穿只PCB板的底层），也可以是只贯穿需要连接的这两个信号层的埋孔。
[0073] 例如，第一通孔13只从第一信号层01贯穿至第二信号层02，以使两个差分传输线的正极连接即可，第二通孔14只从第二信号层02贯穿至第三信号层03，以使两个差分传输线得到负极连接即可。此外，如果通孔设置为埋孔的话，还可以减小stub。
[0074] 本发明提供的新的设计架构可以有效减小两对信号引脚连接的走线长度，避免在其中一对信号引脚工作时，另一对不工作的信号引脚连接的走线过长的问题，可以提高Type‑C接口的信号传输效率和稳定性。
[0075] 在一种实施例中，接口设计架构还包括：
[0076] 第一介质，设于第一信号层01和第一信号层01的下层之间；
[0077] 铜箔，设于印刷电路板的各个信号层上；
[0078] 第一差分传输线11的两条线的第一线宽相等，且第一差分传输线11设于印刷电路板的顶层，第一线宽的确定方式为：
[0079] 根据第一介质的第一介电常数、第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、铜箔的厚度和第一差分传输线11的第一阻抗确定第一线宽；
[0080] 第一差分传输线11的两条线之间的第一线距的确定方式为：
[0081] 根据第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、第一阻抗确定第一线距。
[0082] 本实施例进一步细化了接口设计架构的具体实现细节，特别是在差分传输线的线宽（第一线宽）和线距（第一线距）的确定上。第一介质，设于第一信号层01和第一信号层01的下层之间，作为电介质，影响差分传输线的电气性能，第一介质的介电常数和第一信号层01与下层之间的第一距离共同决定了差分传输线的电气特性。铜箔，设于印刷电路板的各个信号层上，作为导电层，用于形成差分传输线和其他电路元素，铜箔的厚度会影响差分传输线的阻抗和其他电气特性。
[0083] 差分传输线的线宽与电气性能密切相关。线宽的选择需要满足阻抗匹配的要求，以确保信号在传输过程中的稳定性和完整性。根据传输线理论，线宽、线距、介电常数、距离和阻抗之间存在数学关系，可以通过这些参数来计算和确定线宽。也即，第一差分传输线11的第一线宽根据第一介质的第一介电常数、第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、铜箔的厚度以及第一差分传输线11的第一阻抗来确定。
[0084] 差分传输线的线距（即两条线之间的距离）同样对电气性能有重要影响。适当的线距可以减小串扰和电磁干扰，提高信号的信噪比。线距的确定同样需要满足阻抗匹配的要求，并考虑信号层的距离和介电常数等因素。也即，第一差分传输线11的第一线距根据第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离和第一阻抗来确定。
[0085] 计算公式如下：
[0086] 在一种实施例中，根据第一介质的第一介电常数、第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、铜箔的厚度和第一差分传输线11的第一阻抗确定第一线宽，包括：
[0087] 根据第一介质的第一介电常数、第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、印刷电路板上铜箔的厚度和第一差分传输线11的单端阻抗根据第一计算公式确定第一线宽；
[0088] 第一计算公式为： ；
[0089] 其中，z0第一差分传输线11的单端阻抗、Er1为第一介质的第一介电常数，W1为第一线宽，H1为第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离，T1为铜箔的厚度；
[0090] 根据第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、第一阻抗确定第一线距，包括：
[0091] 根据第一信号层01与第一信号层01的下层之间的第一距离、第一差分传输线11的单端阻抗和差分阻抗根据第二计算公式确定第一线距；
[0092] 第二计算公式为： ；
[0093] 其中，zdiff1为第一差分传输线11的差分阻抗，S1为第一线距。
[0094] 综上，本实施例通过引入第一介质、铜箔以及详细说明了差分传输线线宽和线距的确定方式，进一步细化了接口设计架构的实现细节。这些细节的考虑可以确保差分传输线在印刷电路板上的电气性能满足设计要求，从而提高Type‑C接口的整体性能和稳定性。
[0095] 在一种实施例中，接口设计架构还包括：
[0096] 第二介质，设于第二信号层02和第三信号层03之间；
[0097] 第三介质，设于第二信号层02与第二信号层02的上层之间；
[0098] 第四介质，设于第三信号层03与第三信号层03的下层之间；
[0099] 铜箔，设于印刷电路板的各个信号层上；
[0100] 第二差分传输线12的两条传输线的第二线宽相等，第二线宽的确定方式为：
[0101] 当第二信号层02为第三信号层03的上层时，根据第二介质的第二介电常数、第三介质的第三介电常数、第四介质的第四介电常数、第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与第二信号层02的上层之间的第三距离、第三信号层03与第三信号层03的下层之间的第四距离、铜箔的厚度和第二差分传输线12的第二阻抗确定第二线宽；
[0102] 第二差分传输线12的两条线投影在平行于第二信号层02和/或第三信号层03的平面上时，第二差分传输线12的两条线的投影之间的第二线距的确定方式为：
[0103] 根据第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与第二信号层02的上层之间的第三距离、第三信号层03与第三信号层03的下层之间的第四距离、第二差分传输线12的第二阻抗确定第二线距。
[0104] 本实施例详细描述了在一个多层PCB（印刷电路板）设计中，当第二差分传输线12的两条线分别位于第二信号层02和第三信号层03时，如何确定这两条传输线的线宽（第二线宽）和线距（第二线距）。具体而言，在一个多层PCB设计中，不同的信号层之间由介质层分隔开。在这个情况下，第二信号层02和第三信号层03之间由第二介质分隔，第二信号层02与其上层之间由第三介质分隔，而第三信号层03与其下层之间由第四介质分隔。铜箔作为导电层，被用于在印刷电路板的各个信号层上形成电路元素，包括差分传输线。铜箔的厚度对于确定传输线的电气特性，如阻抗，具有重要影响。
[0105] 当第二信号层02为第三信号层03的上层时第二线宽（即差分传输线的线宽）的确定考虑了多个因素，包括：介质层的介电常数，第二介质、第三介质和第四介质的介电常数（第二介电常数、第三介电常数和第四介电常数）都会影响差分传输线的电气性能；信号层之间的距离，第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与其上层之间的第三距离以及第三信号层03与其下层之间的第四距离都会影响差分传输线的电气特性；铜箔的厚度直接影响差分传输线的阻抗和其他电气特性；差分传输线的阻抗，第二差分传输线12的第二阻抗是设计时需要满足的一个重要参数，它决定了信号的传输质量和效率。
综合以上因素，可以通过一个计算公式或仿真来确定合适的第二线宽，以确保差分传输线满足设计要求。
[0106] 同样的，当第二差分传输线12的两条线投影在平行于第二信号层02或第三信号层03的平面上时，线距（即两条线之间的距离）的确定考虑了以下因素：信号层之间的距离，第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与其上层之间的第三距离以及第三信号层03与其下层之间的第四距离都会影响线距的选择；差分传输线的阻抗，第二差分传输线12的第二阻抗是确定线距时需要考虑的一个重要参数；通过综合考虑这些因素，可以确定合适的第二线距，以减少串扰和电磁干扰，提高信号的传输质量。
[0107] 具体而言，计算第二线宽和第二线距的公式如下：
[0108] 在一种实施例中，根据第二介质的第二介电常数、第三介质的第三介电常数、第四介质的第四介电常数、第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与第二信号层02的上层之间的第三距离、第三信号层03与第三信号层03的下层之间的第四距离、铜箔的厚度和第二差分传输线12的第二阻抗确定第二线宽，包括：
[0109] 根据第二介质的第二介电常数、第三介质的第三介电常数、第四介质的第四介电常数、第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与第二信号层02的上层之间的第三距离、第三信号层03与第三信号层03的下层之间的第四距离、铜箔的厚度和第二差分传输线12的单端阻抗根据第三计算公式确定第二线宽；
[0110] 第三计算公式为： ；
[0111] 其中，W2为第二线宽，z1为第二差分传输线12的单端阻抗，Er2为第二介电常数，Er3为第三介电常数、第四介电常数，第三介电常数和第四介电常数相等，H2为第二距离，H3为第三距离、第四距离，第三距离与第四距离相等，T1为铜箔的厚度；
[0112] 根据第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与第二信号层02的上层之间的第三距离、第三信号层03与第三信号层03的下层之间的第四距离、第二差分传输线12的第二阻抗确定第二线距，包括：
[0113] 根据第二信号层02与第三信号层03之间的第二距离、第二信号层02与第二信号层02的上层之间的第三距离、第三信号层03与第三信号层03的下层之间的第四距离、第二差分传输线12的单端阻抗和差分阻抗根据第四计算公式确定第二线距；
[0114] 第四计算公式为： ；
[0115] 其中，zdiff2为第二差分传输线12的差分阻抗，O1为第二线距。
[0116] 综上，本实施例通过考虑多层PCB设计中不同信号层之间的介质层和信号层之间的距离，以及铜箔的厚度和差分传输线的阻抗等因素，详细描述了如何确定差分传输线的线宽和线距。这种细致的设计考虑有助于确保差分传输线在多层印刷电路板上的电气性能满足设计要求，从而提高整个接口设计架构的性能和稳定性。
[0117] 在一种实施例中，若第一信号层为top层，则计算第一差分传输线的第一线宽和第一线距的方式分别参照第一计算公式和第二计算公式，若第一信号层不为top层，而是属于中间层，也即第一信号层的上层和下层均存在信号层时，计算第一差分传输线的第一线宽和第一线距的方式分别参照第三计算公式和第四计算公式。
[0118] 在一种实施例中，当第二信号层02为第三信号层03的上层时；
[0119] 第二信号层02的上层和第三信号层03的下层为可设置为地平面的层。
[0120] 具体而言，当第二信号层02位于第三信号层03的上层时，第二信号层02的上层和第三信号层03的下层可以被设置为地平面的层。在多层PCB设计中，地平面通常用于提供参考地电位，以稳定信号传输并减少电磁干扰（EMI）。地平面由大面积的铜箔构成，并且与电源地连接，为电路提供稳定的基准电位。
[0121] 第二信号层02位于第三信号层03的上层。这种层叠结构允许差分传输线（或其他信号线）在第二信号层02和第三信号层03之间穿行，从而实现多层之间的信号传输。
[0122] 设置地平面层的原理为:将第二信号层02的上层和第三信号层03的下层设置为地平面层，可以有效地屏蔽和隔离来自其他电路元件的电磁干扰，地平面层的大面积铜箔可以吸收和反射这些干扰信号，从而降低它们对差分传输线的影响。信号稳定性，地平面层为差分传输线提供了一个稳定的参考地电位，这有助于保持信号的稳定传输，减少信号的失真和衰减。
[0123] 在实际应用中，可以根据具体的设计需求来确定是否需要设置地平面层。例如，在高速数据传输或高频率应用中（本发明中的第一信号层01、第二信号层02和第三信号层03通常为支持高速数据传输或高频率的信号层），设置地平面层尤为重要，因为它们对信号的传输质量和稳定性有更高的要求。
[0124] 综上，本发明通过将第二信号层02的上层和第三信号层03的下层设置为地平面层的设计方案，进一步提高了多层PCB设计中差分传输线的电气性能和信号稳定性，这种设计有助于减少电磁干扰、提高信号传输质量并简化电路设计。
[0125] 在一种实施例中，当第二信号层02为第三信号层03的上层时；
[0126] 第三信号层03与印刷电路板的底层之间相隔的层数不大于预设数目。
[0127] 本实施例中，当第二信号层02位于第三信号层03的上层时，第三信号层03与PCB板的底层之间相隔的层数不应大于某个预设数目。具体而言，在多层PCB设计中，层数的选择对于电路板的性能、成本、可靠性等方面都有重要影响。本实施例限制第三信号层03与底层之间层数的原理为：随着信号在多层PCB中传输，信号衰减和延迟会逐渐增加，限制第三信号层03与底层之间的层数有助于减少信号的衰减和延迟，保证信号的完整性和传输效率。过多的层数会增加PCB的制造成本和复杂性（如stub增加）。通过限制第三信号层03与底层之间的层数，可以在满足电路设计需求的同时，降低制造成本和复杂性。
[0128] 综上，本实施例通过限制第三信号层03与PCB板底层之间相隔的层数不大于预设数目，，有助于减少信号的衰减和延迟、降低制造成本和复杂性、改善热管理性能，从而提高电路板的整体性能和可靠性。
[0129] 在一种实施例中，当第二信号层02为第三信号层03的上层时；
[0130] 第三信号层03的下层为印刷电路板的底层。
[0131] 具体而言，在上述实施例的基础上，当第二信号层02位于第三信号层03的上层时，通过将第三信号层03的下层设置为印刷电路板的底层，以减少Stub的存在。具体而言，Stub在PCB设计中，通常指的是与主要信号传输线相连但是并不对信号起作用的附加结构，也称为短桩线或残桩线。Stub由连接器、元器件引脚、信号层之间的转接等形成。Stub在信号传输过程中会产生负面影响，如信号反射、信号衰减、模式耦合等，最终可能导致信号完整性问题。
[0132] 在多层PCB设计中，当第二信号层02为第三信号层03的上层时，将第三信号层03的下层设置为印刷电路板的底层，可以减少与其他信号层或电源/地层之间的不必要连接，从而减少Stub的形成。通过将第三信号层03的下层直接作为底层，还可以优化信号传输路径，减少信号在传输过程中可能遇到的干扰和衰减。减少Stub的存在可以降低信号反射、衰减和模式耦合等问题的发生，从而提高信号的完整性和可靠性。
[0133] 综上，本实施例通过特定的层叠结构设计，即将第三信号层03的下层设置为印刷电路板的底层，来减少Stub的存在，可以优化信号传输路径、降低信号传输过程中的干扰和衰减、提高信号的完整性和可靠性。
[0134] 在一具体实施例中，如图5所示，PCB板共有8层，8个信号层的分布如图5所示，其中，确定第一信号层为top层，确定第二信号层为L6层，确定第三信号层为L7层，底层为L8层。此时，A6和B6的走线连接示意如图6所示，A7和B7的走线连接如图7所示。
[0135] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种Type‑C接口，包括上述的接口设计架构。
[0136] 对于Type‑C接口的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
[0137] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电子设备，包括上述的Type‑C接口。
[0138] 对于电子设备的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
[0139] 还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0140] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
