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USB Type C规范详解 目前USB Type C接口应用非常广泛,可以传输DP,USB,PCIE,音频等信号,已经不是纯粹的用来传输USB信号了,即USB Type C摆脱了和USB的从属关系,自己当家作主了。下面来介绍下USB Type C里面比较重要的点。
协议来源 USB官方网站上可以下载到最新的协议《USB Type-C Specification Release 1.4.pdf》,最新的为2019年4月3日。文末也会共享出来。 该协议主要内容是:定义USB Type C的插头,插座,和线缆 USB Type-C的Vbus的电流的检测与使用 使用USB Type-C的源(主机或下游集线器端口)可以在vbus上实现更高的源电流,以便能够更快地充电需要比USB3.2规范中指定的更多电流的移动设备或供电设备。所有USB主机和集线器端口都通过CC引脚来设置当前可用的电流水平。 USB PD各个模式供电能力如下表:
USB Type-C接口 Power有关的信号 VBUS,USB线缆的bus power(和我们通常意义上VBUS保持一致),电源和GND都有4根线,这就是为什么能支持到100W的原因。 VCONN(只有在插头上才会有该信号),当线缆里有芯片的时候,用来给线缆里的芯片供电(3.3V或5V)。 USB 2.0数据线,D+/D-。它们在插头端只有一对,和旧的USB 2.0规范一致。但为了支持正反随意插。在插座端定义了两组,这样插座端可以根据实际情况进行合适的mapping。 USB3.1/USB3.2数据线,TX+/-和RX+/-,用于高速的数据传输。插头和插座端都有两组,用于支持正反随意插。 Configuration的信号,对插头来说,只有一个CC,另外一个伪VCONN,对插座来说,有两个CC1和CC2。 SUB信号,用于USB拓展功能,可用于模拟音频。
USB Type-C电缆 如下表,USB2.0规范的电缆长度小于4米,USB3.2 Gen1的长度小于2米,USB3.2Gen2的电缆长度小于1米。 USB2.0/USB3.1/USB3.2线缆说明 如下图,如果type-c线缆仅仅用作USB功能,那么其实有很多信号线是不需要的,只需要以下信号即可(USB3.2 Gen2x2除外)。USB2.0需要更少的线,其5-10信号是不需要的。 配置通道(CC)详解 配置通道CC的用途如下: 检测USB设备是否接入; 检测USB插入方向,并以此建立USB 数据通道的路由; 插入后帮助建立USB设备角色(谁为HOST,谁为Device); 发现并配置VUBS,配置USB PD供电模式; 配置Vconn; 发现和配置可选的备用和辅助模式; 名词解释 在USB2.0端口,USB根据数据传输的方向定义了HOST/Device/OTG三种角色,其中OTG即可作为HOST,也可作为Device,在Type-C中,也有类似的定义。 DFP(Downstream Facing Port):下行端口,可以理解为Host或者是HUB,DFP提供VBUS、VCONN,可以接收数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输,笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。 UFP(Upstream Facing Port):上行端口,可以理解为Device,UFP从VBUS中取电,并可提供数据。典型设备是U盘,移动硬盘。 DRP(Dual Role Port):双角色端口,类似于以前的OTG,DRP既可以做DFP(Host),也可以做UFP(Device),也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。设备刚连接时作为哪一种角色,由端口的Power Role(参考后面的介绍)决定;后续也可以通过switch过程更改(如果支持USB PD协议的话)。 USB PORT的供电(或者受电)情况,USB Type-C将port划分为Source、Sink。 Source:通过VBUS或者VCONN供电。 Sink:通过VBUS或者VCONN接受供电。 DRP(Dual-Role-Power):既可以作为Source,也可以作为Sink。到底作为Source还是Sink,由设备连接后的配置决定。 Source和Sink的连接过程 Source和Sink的通用USB情况下,配置接口的典型流程如下: 首先,检测端口之间的有效连接(包括确定电缆方向、源/接收器和DFP/UFP关系)。 其次检测电缆的能力。 再次接通USB供电(协商USB电力传输,选择供电模式,电池充电等)。 最后进行USB枚举。Source to Sink的连接检测 如下图,Source端是上拉电阻,Rp,Sink端接下拉电阻Rd 在未对接时,Source检测到CC管脚都为高电平,Sink端检测到CC管脚都未低电平。对接后,形成分压,电平为中间值。Rp的阻值能表明Source能够提供的功率水平。源端CC1,CC2模型 供电和充电 任何USB Type-c端口提供超过默认电流和/或支持USBPower Delivery传送应满足要求,就像它是一个充电器。 电源(如电池充电器、集线器、下游端口和主机)均可用于电池充电。充电器使用USB Type-C接口或USB Type-C电缆实现时,应遵循以下要求: 电源应使用USB Type-C current方法公开其功率能力,并可额外支持其他USB标准(USB BC 1.2或USB PD) 如果电源能够提供大于默认的VBUS的电压,则应完全符合USB PD规范,并应仅使用USB PD协商其电源供电。 如果电源能够提供大于3.0A的电流,则应使用US PD规范来确定电缆的载流能力。 Type C接口的充电器,只有当它检测到一个接收器被连接时,才能将电源VBUS接通,并且当它检测到Sink端被分离时,应该从VBUS上移除电源。 电子标记的线缆 所有USB全功能Type-C型电缆应电子标记。 eMarker是电子标记电缆中的元素,该电缆响应USB PD发出的标识命令返回有关电缆的信息(如电缆的电流承载能力、性能、厂商标识,支持的sstx/ssrx通道数等)。 电子标记的电缆本身用电一般来自于Vconn,Vbus也有可能被用到。 VPAs和VPDs VPAs:VCONN-Powered Accessories--Vconn驱动的附件 VPDs:VCONN-Powered USB Devices--Vconn驱动的USB设备 VPAs和VPDs都是直接连接的sink,只需Vconn即可操作。两者都在Vconn上接有电阻Ra,在CC上接有电阻Rd。通过判断Vconn是否被移除,并以此来判断设备是否断开连接(在Vbus没有的时候)。 如果VCONN供电配件希望提供充电功能,则必须通过在主机和充电端口上独立协商电压和电流来实现,并且可能在将Source端电压传输到Sink之前重新调节电压。 Sink能够获取VPAs通告给它的可承载电流。
电阻值设置 各电流值对应的Rp的值如下表: 相关电压范围 在Sink与Source连接后,因为Rp与Rd分压的原因,Sink端的CC的电压范围如下表: 功能扩展 USB Type-C的牛逼之处就在于其功能扩展,即它不仅仅在只是用来传输USB信号了,可以拓展用于其它功能。 USB Type-C协议里面,拓展功能称之为Alternate Mode,如何进入Alternate Mode呢。有很多种功能,比如4 lane DP,DP 2lane+USB3.0,自然得在一开始就通过协议来沟通告知进入哪一种模式。 那么是如何沟通的呢?还是通过CC管脚,通过PD协议来完成。 模拟音频模式 3.5mm音频接口可以转Type-C端口,USB2.0数据通道传输模拟音频信号,音频右声道接DP,音频左通道接DN,MIC信号则连接在SBU引脚上,在这个模式当中,电源可以提供到500mA电流。 如何工作在音频模式呢? 通过将CC引脚和VCON短接接,并且下拉电阻小于Ra/2(根据上文,Ra最小为800Ω,则小于400ohm),或者分别对地,下拉电阻小于Ra(小于800ohm),则Host会识别为音频模式。 扫描下方二维码,回复“USB”,可获得官方协议原文件。 获得硬件资料,欢迎关注微信公众号:硬件工程师炼成之路。 |
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