USB-C 接口設(shè)計(jì)

USB Type-C 型接口之所以能被絕大多數(shù)電子設(shè)備采用，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它具有如下優(yōu)勢(shì)：①支持正反插、②支持雙向最大100W 電力傳輸、③支持協(xié)議擴(kuò)展。

這三個(gè)功能都離不開(kāi)Type-C 接口中的 Configuration Channel，簡(jiǎn)稱 cc。

什么是 Configuration Channel (cc) ？

如上圖所示，它是位于 Type-C Connector 中的兩個(gè) pin（A5、B5），是 Host 和 Device 之間重要的配置通道。

Type-C 的 Receptacle 和 Plug 連接后，不僅僅有 cc 的電平識(shí)別，還有基于 cc 的 PD 協(xié)議通訊。因此 cc 的主要功能是，Detection Device，Check Positive and negative，Configure Data Bus，Negotiate Power For Vbus，Discover and Configure Alternate Mode。

三種 Type-C Port 硬件線路設(shè)計(jì)

一個(gè) USB-C 接口到底是Power Source，還是 Power Sink，并不取決于它是

Type-C Receptacle 還是 Plug。兩個(gè) Type-C 連接器連接后，電源最初方向和

內(nèi)部 cc pin 電平密切相關(guān)。對(duì)于 Type-C 接口有三種硬件設(shè)計(jì)類型，如下所述。

A. Source Configuration Channel Functional Model

即硬件設(shè)計(jì)上作為一個(gè) Power Source Port（和 Receptacle/Plug 無(wú)關(guān)），有如下功能：

1. Source 端的 PD Controller 使用 FET 去控制 Vbus 的 Power，未連接 Sink 時(shí)Vbus 關(guān)閉。
2. Source 端分別在 cc1/2 上連接 Rp 電阻，當(dāng) Sink 設(shè)備接入，cc 電壓會(huì)被 Sink 設(shè)備上的 Rd 拉低一定程度，因此 Source 端根據(jù) cc 電壓即可判斷是否有 Sink 接入。
3. Source 端根據(jù) cc pin 拉低的情況，偵測(cè)并建立正確的 USB3.0 Data Path，控制 MUX 保證USB3.0 data path 處于導(dǎo)通狀態(tài)。同時(shí)決定用未拉低的 cc pin 作為 Vconn輸出，拉低的 cc pin 作為 PD 通訊。
4. Source 端一旦檢測(cè)到 Sink 接入，就會(huì)提供 Vbus 和 Vconn Power。
5. Source 端能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整 Rp 的值，改變提供給 Sink 的 Current Level。
6. Source 端會(huì)持續(xù)檢測(cè) cc 電壓狀態(tài)，以判斷 Sink 是否處于接入狀態(tài)。一旦 Sink 移除，Source 會(huì)關(guān)閉 Vbus 和 Vconn。

B. Sink Configuration Channel Functional Model

即硬件設(shè)計(jì)上作為一個(gè) Power Sink Port（和 Receptacle/Plug 無(wú)關(guān)），有如下功能：

1. Sink 端在 cc1/2 上同時(shí)接 Rd 電阻，以改變 Power Source 端 cc 電壓。
2. Sink 端以 Vbus 上是否有 Power 判斷 Source 端是否接入
3. Sink 端根據(jù) cc pin 拉高的情況，偵測(cè)并建立正確的 USB3.0 Data Path，控制 MUX 保證 USB3.0 data path 處于導(dǎo)通狀態(tài)。
4. Sink 端可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，偵測(cè) cc 電壓（Power Source 端 Rp 值不同，cc 分壓不同），以判斷Source 端當(dāng)前的 Current Level。同時(shí)需要管控自身的負(fù)載，防止 Source 端過(guò)流。

C. DRP Configuration Channel Functional Model

即硬件設(shè)計(jì)上作為一個(gè) DRP，即 Dual Role Power（和 Receptacle/Plug 無(wú)關(guān)）既可以供電也可以受電，有如下功能：

1. DRP 端使用 FET 去控制 Vbus 的 Power，作為 Source 時(shí)，默認(rèn) Vbus 關(guān)閉。
2. DRP 端使用開(kāi)關(guān)，分時(shí)連接 Rp 或者 Rd，使其對(duì)外呈現(xiàn)的 Source 和 Sink 狀態(tài)來(lái)回切換。
3. 關(guān)于 Source、Sink 的切換，在最開(kāi)始連接時(shí)，有如下邏輯
   a. 在建立連接狀態(tài)前，DRP 呈現(xiàn)的 Source 或者 Sink 會(huì)來(lái)回切換。切換周期為
   tDRP（500--100ms），Rp 呈現(xiàn)的時(shí)間為 dcSRC.DRP（30%--70%），切
   換時(shí)間為 tDRPTransition（0--1ms）。Type-C 接口規(guī)范定義 Rp 呈現(xiàn)時(shí)間
   是在 30%--70%占空比范圍內(nèi)變化的。但是有些 PD 設(shè)計(jì)為沒(méi)有變化，固定
   50%占空比。
   b. 當(dāng) DRP 呈現(xiàn)為 Power Source 時(shí)，遵循 Source Port 行為。
   c. 當(dāng) DRP 呈現(xiàn)為 Power Sink 時(shí)， 遵循 Sink Port 行為。

USB-C 接口功能

基于上述三種Type-C 接口硬件設(shè)計(jì)，僅依靠 cc 電壓識(shí)別就可以完成如下功能。

連接偵測(cè)

Type-C 接口的 Vbus 默認(rèn)是沒(méi)有電壓的。當(dāng) Source 端偵測(cè)到 Sink 接入后，才會(huì)在 Vbus 上輸出 Power。如下圖，Source 端在兩個(gè) cc pin 上呈現(xiàn)上拉電阻 Rp，對(duì)外都呈現(xiàn)高電平。Sink 端在兩個(gè) cc pin 上呈現(xiàn)下拉電阻 Rd，對(duì)外呈現(xiàn)都呈現(xiàn)低電平。

Type-C to Type-C Cable 上設(shè)計(jì)一個(gè) cc 下拉 Rd，一個(gè) cc 下拉 Ra。當(dāng) Source 端偵測(cè)到 cc 電壓變化后，即認(rèn)為有 Device 接入。

Power Source 端會(huì)在 Rd 下拉的 cc pin 上完成后續(xù)的 PD 協(xié)議通訊，在 Ra 下拉

的 cc pin 上輸出 Vcoon Power。

正反偵測(cè)

Type-C 接口規(guī)范定義 cc1 pin 接 Rd 后，為正向接入。cc2 pin 接 Rd 后，認(rèn)為是反向接入。然而實(shí)際使用中，無(wú)法確定哪個(gè)是 cc1 pin 哪個(gè)是 cc2，因此正反插都是相對(duì)而言。

Power 能力識(shí)別

在單純的 Type-C 接口中，即使沒(méi)有 PD 通訊，Power Sink 端也可以識(shí)別到 Power Source 端的供電能力。

Power Sink 端偵測(cè)到 cc pin 上的電壓值，即可判斷出 Power Source 端供電能力。Power Source 端 Rp 取值情況，以及 cc 通訊時(shí)電壓如下表。

如下示波器波形，是 Pull High 是 3.3V，聲明 5V@3A 的情況下，cc 通訊時(shí)

電壓為，(5.1/(4.7+5.1)*3.3=1.1717V。

Cable 偵測(cè)

對(duì)于 Type-C to Type-C 的轉(zhuǎn)接線來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部只有一個(gè) cc pin 用于導(dǎo)通 Host/Device 端的 cc，用于 PD 協(xié)議通訊。

對(duì)于不含 e-Mark 的 Passive Cable 不存在另外一個(gè) cc pin，內(nèi)部是斷開(kāi)的。

對(duì)于有 e-Mark 的 Active Cable，另外一個(gè) cc pin 設(shè)計(jì)下拉電阻 Ra，大小為 800-1200Ω。

當(dāng) Source 在 cc pin 檢測(cè)到 Ra 時(shí)，會(huì)在對(duì)應(yīng)的 cc pin 上輸出 Vconn Power 用于給 Active Cable 中的 IC供電，以便 Source 端讀取 e-Mark 中存儲(chǔ)的 Cable 信息。一般來(lái)說(shuō) Vconn 電壓 2.7-5.5V，功率最大 1.5W。

e-Mark IC 是一個(gè) Support PD 協(xié)議的控制器，內(nèi)部存儲(chǔ)了 Cable 的 Data/Power 傳輸能力。

某些 Active Cable 中還存在 Re-Driver 用于增強(qiáng)高速信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

數(shù)據(jù)線配置

在 USB-C Receptacle 接口中，是有兩組 USB2.0 信號(hào)的，所以不管 Plug 以何種

方向接入，USB2.0 信號(hào)總是正常導(dǎo)通的。但是對(duì)于 USB、DP、TBT、PCIe 等高速信號(hào)必須用 MUX 芯片完成切換才能正常導(dǎo)通。

以 PS8812 6進(jìn)4出 MUX 為例，傳輸 USB3.0 信號(hào)時(shí)。

正插，USB3.0 信號(hào)走 Rx/Tx-1。

反插，USB3.0 信號(hào)走 Rx/Tx-2。

所以 PD 芯片需要偵測(cè)到正反插，然后通過(guò) GPIO 告知 PS8812 切換內(nèi)部開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通 USB3.0 信號(hào)。

以 PS8812 6進(jìn)4出 MUX 為例，傳輸 USB3.0 + DP 信號(hào)時(shí)。

正插，USB3.0 信號(hào)走 Rx/Tx-1，2-Lane DP 走 Rx/Tx-2。

反插，USB3.0 信號(hào)走 Rx/Tx-2，2-Lane DP 走 Rx/Tx-1。

所以 PD 芯片需要偵測(cè)到正反插，然后通過(guò) GPIO 告知 PS8812 切換內(nèi)部開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通 USB3.0 和 DP 信號(hào)。

如下兩種功能需要 PD 協(xié)議配合

PD 供電協(xié)商

對(duì)于 USB-C 接口，由于硬件的設(shè)計(jì)，連接后默認(rèn) Power Source 端只會(huì)提供最大

15W（5V@3A） 的供電，而且反向不可再切換供電方向。借助于 PD 協(xié)議，USB-C 口在連接后，可以協(xié)商供電功方向和供電功率（最大100W，20V@5A）。

AltMode 配置

對(duì)于 USB-C 接口，不局限于傳輸 USB2.0 和 USB3.0 信號(hào)。還可以借助于 PD 協(xié)議配置AltMode，支持 DP、TBT、PCIe、USB4 等協(xié)議的傳輸。

常見(jiàn)的幾種連接 Type-C 接口連接

Source Only 和 Sink Only 連接，兩端安照各自 Power 角色繼續(xù)工作。

Source Only 和 DRP 連接，當(dāng) DRP 的 cc 呈現(xiàn)低電平時(shí)，兩端連接狀態(tài)建立。

DRP 端按照Power Sink 角色繼續(xù)工作。

Sink Only 和 DRP 連接，當(dāng) DRP 的 cc 呈現(xiàn)高電平時(shí)，兩端連接狀態(tài)建立。

DRP 端按照Power Source 角色繼續(xù)工作。

當(dāng) DRP 和 DRP 連接。按照標(biāo)準(zhǔn)，DRP 的 Rp 和 Rd 是動(dòng)態(tài)切換的，而且變化頻率不固定。因此 DRP 連接后，Source/Sink 是隨機(jī)建立的。一旦 Source 和 Sink 確定，各自按照其角色繼續(xù)工作。根據(jù)需要借助于 PD 協(xié)議完成高級(jí)的 Power Level 協(xié)商和 Power Direction 切換。

USB-C 兼容設(shè)計(jì)

USB Type-C 作為一個(gè)全新的 USB 接口，和 USB Type-A/B 接口是完全不同的設(shè)計(jì)，兼容性必然是 Type-C 接口需要考慮的問(wèn)題，主要是電源兼容和 USB 通訊兼容。

Type-C 接口實(shí)際使用時(shí)必須和當(dāng)下 Type-A/B 的 Host、Device、Cable 相互兼容，轉(zhuǎn)接線就必不可少了。USB Type-C 規(guī)范針對(duì)兼容的轉(zhuǎn)接線也提出了設(shè)計(jì)規(guī)范。

Type-A 接口設(shè)計(jì)

本文僅以 USB Type-A 型標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)比闡述 USB-C 接口的兼容設(shè)計(jì)，所以先介紹下 USB Type-A 型接口的電源和 USB 通訊。

對(duì)于 USB Type-A 型接口，Receptacle 端必然是 Power Source，Plug 端必然是 Power Sink。對(duì)于 USB2.0 接口只有 D+/- 負(fù)責(zé) USB2.0 通訊。

對(duì)于 USB3.0 接口兼容 USB2.0，D+/- 負(fù)責(zé) USB2.0 通訊，Tx/Rx 差分信號(hào)線負(fù)責(zé) USB3.0 通訊。

兼容 Type-A

USB Type-C 接口為了兼容 Type-A 接口，設(shè)計(jì)了兩種轉(zhuǎn)接線。

Type-C Plug 轉(zhuǎn) Type-A Plug

如上圖，Type-C Plug 內(nèi)部設(shè)計(jì) Rp，呈現(xiàn)為 Power Source。不管 Type-C Plug 接入 Power Sink 或者 DRP 接口都能作為供電端。

另一端 Type-A Plug 只能作為 Power Sink 連接 Power Source 的 Type-A Receptacle 取電。

上述表格即是 USB Type-C 轉(zhuǎn) Type-A Plug 連接線的內(nèi)部引線順序。

需要注意的是 A5需要通過(guò) Rp 連接至 Vbus。其他未描述引腳全部懸空。

Type-C Plug 轉(zhuǎn) Type-A Receptacle

如上圖，Type-C Plug 內(nèi)部設(shè)計(jì) Rd，呈現(xiàn)為 Power Sink。不管 Type-C Plug 接入 Power Source 或者 DRP 接口都能作為受電端。

如此轉(zhuǎn)接線的另一端 Type-A Receptacle 就可以作為 Power Source。

上述表格即是 USB Type-C 轉(zhuǎn) Type-A Receptacle 轉(zhuǎn)接線的內(nèi)部引線順序。

需要注意的是 A5需要通過(guò) Rd 連接至 GND。其他未描述引腳全部懸空。

當(dāng)然除了 Type-C 接口規(guī)范中定義的轉(zhuǎn)接口外，還能見(jiàn)到 Type-C Receptacle 轉(zhuǎn) Type-A Plug，原理和上述轉(zhuǎn)接口類似。