用于筆記本、平板等PC端的解決方案—TCPC

USB-C的作用

USB-C端口具有體積小，可正反插等特性，被越來越多的設(shè)備采用。USB-C也可以寫作USB Type-C。USB-C端口兼容之前舊版的USB -A口的所有功能，可以實現(xiàn)快充功能和傳輸高清音視頻的功能。

快充方面：搭載USB PD、QC等快充協(xié)議，實現(xiàn)手機(jī)等用電設(shè)備的快速充電。新推出的USB PD 3.1更是將之前的最高充電功率由100W增加到240W，進(jìn)一步擴(kuò)大了快充的使用范圍。

音視頻方面：傳輸DisplayPort視頻信號，DisplayPort中也包含音頻信息。還可搭配模擬耳機(jī)和數(shù)字耳機(jī)，可連接音頻設(shè)備。新推出的USB4規(guī)范強制規(guī)定只能使用USB Type-C接口，傳輸帶寬達(dá)到40Gbps。還兼容了雷電3協(xié)議。更大的帶寬，可以同時擴(kuò)展更多的設(shè)備。比如可以通過USB4擴(kuò)展塢同時接移動硬盤，高清顯示器和外置顯卡。

USB Type-C端口搭載USB PD、QC等協(xié)議，來統(tǒng)一快充市場，而且具備音視頻傳輸功能等?；谝陨蟽?yōu)勢，USB-C有望實現(xiàn)USB端口的統(tǒng)一?？梢灶A(yù)見，設(shè)備采用USB Type-C端口是大勢所趨。

面臨的困境

由于USB-C端口、USB PD等快充協(xié)議是近幾年才推出的，所以在之前推出的SOC或MCU必然沒有集成USB PD、QC等協(xié)議，也不支持USB Type-C的邏輯識別功能，也就無法實現(xiàn)USB Type-C端口快充和高清音視頻傳輸?shù)墓δ?，因為快充和高清音視頻傳輸?shù)膶崿F(xiàn)都需要依靠USB Type-C的識別和相關(guān)協(xié)議的溝通。那么這些SOC或MCU將面臨市場的淘汰和資源的浪費。而且研發(fā)新的集成USB PD、QC等的SOC或MCU，開發(fā)周期長，成本高，足以讓不少芯片原廠止步，而且有的設(shè)備需要多個USB -C口(比如蘋果公司推出的Macbook Pro筆記本就有4個USB-C口)，更是加大了研發(fā)難度。那么有沒有簡單的方法解決以上的困境?答案是有，就是采用TCPC芯片。

解決方式

可以采用SOC或MCU與TCPC芯片配合使用，來解決上面提到的困境。TCPC芯片用來實施USB Type-C底層的邏輯識別和協(xié)議溝通，SOC或MCU作為TCPM來進(jìn)行上層的策略管理。TCPC和TCPM之間連接的接口叫做TCPCI，可采用I2C(或SMbus)方式通信。這樣SOC或MCU只需要有I2C主模式的功能，就能方便實現(xiàn)USB-C端口快充及高清音視頻傳輸功能。而I2C主模式還可以用芯片的GPIO來模擬的，所以SOC或MCU理論上都可以作為TCPM。那么到底TCPC、TCPM和TCPCI究竟是什么?下面來介紹。

TCPC、TCPM和TCPCI

TCPC和TCPM是USB-IF協(xié)會發(fā)布的《Universal Serial Bus Type-C Port Controller Interface Specification》文檔中提出的概念，兩者之間連接的接口稱為TCPCI，下面介紹TCPM、TCPC和TCPCI。

什么是TCPM?

TCPM英文全稱為USB Type-C Port Manager，即USB Type-C 端口管理器。TCPC是一個功能管理模塊，包括VBUS和VCONN電源管理以及USB PD通信的設(shè)備策略管理層、策略引擎層和部分協(xié)議層等。

什么是TCPC?

TCPC英文全稱為USB Type-C Port Controller，即USB Type-C 端口控制器。TCPC是一個功能控制模塊，包括VBUS和VCONN電源控制、USB Type-C CC邏輯以及USB PD通信 BMC物理層和部分協(xié)議層等。

什么是TCPCI?

TCPCI英文全稱為USB Type-C Port Controller Interface ，即USB Type-C 端口控制器接口。TCPCI的目的是在TCPC和TCPM之間提供定義的接口，以便標(biāo)準(zhǔn)化和簡化TCPM實現(xiàn)。TCPCI除了規(guī)定的內(nèi)容，還包含了供應(yīng)商自定義內(nèi)容，用于供應(yīng)商進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。

上圖展示了一個TCPM和多個TCPC連接的框圖?？梢钥吹絋CPC重點在“控制”，是USB Type-C控制器，負(fù)責(zé)控制底層通信的實施，包括出錯重發(fā)機(jī)制。TCPM重點在“管理”，是USB Type-C管理器，負(fù)責(zé)管理一個或多個USB Type-C端口的上層策略。TCPM和TCPC之間的連接的接口叫做TCPCI，是兩者之間的橋梁，可采用I2C(或SMbus)方式進(jìn)行溝通。而LDR6280就是一款TCPC芯片。

TCPC方案介紹

LDR6280是深圳市樂得瑞科技有限公司研發(fā)的一款單端口USB Type-C控制器，支持Source，Sink，或DRP模式，也支持Type-C DRP Try.SRC和Type-C DRP Try.SNK模式，為平板電腦、顯示器、移動電源等應(yīng)用提供了完整的USB Type-C和USB Power Delivery端口控制解決方案。LDR6280可以通過UART方式或I2C的方式進(jìn)行在線升級，來更新芯片的固件。其中I2C升級方式可用于實現(xiàn)SOC給LDR6280更新固件。

LDR6280特點

1、集成USB TYPE-C

- 支持USB TYPE-C規(guī)范2.0版

- 支持Source, Sink和DRP模式

- 支持Type-C DRP Try.SRC或者Try.SNK

- 自動檢測TYPE-C設(shè)備的插入與拔出

2、集成USB Power Delivery

- 集成 USB Power Delivery 2.0/3.0協(xié)議

- 支持DFP,UFP以及Data Role Swap

- 支持PPS，電壓最小可調(diào)20mV，電流最小可調(diào)50mA

- 集成對eMarker線纜的識別和支持

- 支持Power Role Swap

- 支持Fast Role Swap (FRS)

3、支持外接MCU通信

- 支持UART模式，通信波特率可選，默認(rèn)為19200

- 支持I2C/SMBus模式，支持USB Type-C port controller接口(TCPCI)規(guī)范

4、工作電壓

內(nèi)嵌LDO可支持寬電壓輸入: 1.8V到5.5 V。I2C上拉電阻電壓的范圍：1.62V-5.5V

5、工作溫度

-支持工業(yè)級溫度范圍-40℃~85℃

6、封裝

-5mm x 5mm x 0.75mm QFN32

LDR6280應(yīng)用

- 筆記本電腦、平板電腦和游戲主機(jī)等

- 顯示器

- 電源適配器、移動電源等

- 老化柜

- 其他USB Type-C上行端口，下行端口以及雙角色端口

應(yīng)用框圖

1、雙角色端口(DRP)應(yīng)用-多Type-C端口的移動電源

上圖為多口移動電源的應(yīng)用，MCU通過I2C/SMbus的方式控制兩個LDR6280(USB Type-C Port Controller，TCPC)，可以實現(xiàn)兩個USB Type-C口支持PD和QC快充協(xié)議，并且實現(xiàn)充電和放電。

TCPM和TCPC的配合這種方案解決了多個USB Type-C口之間的協(xié)調(diào)管理問題。

TCPM通過I2C/SMbus的方式，根據(jù)設(shè)備地址可與多個TCPC(LDR6280)通信，來配置初始為DFP(USB Type-C DRP Try.SRC)、UFP(USB Type-C DRP Try.SNK)或者DRP。TCPC(LDR6280)和對方端口建立連接后，報告給TCPM。TCPM進(jìn)行USB PD通信的策略管理，TCPC實現(xiàn)具體的通信過程。

以移動電源為例，LDR6280設(shè)置為DRP掃描，通過I2C中斷引腳輸出低電平來通知TCPM，底層狀態(tài)發(fā)生了改變。TCPM讀取TCPCI中規(guī)定的ALERT寄存器來獲取當(dāng)前的狀態(tài)信息。

如果LDR6280檢測到USB Type-C上的CC引腳有Source建立連接，通過I2C中斷引腳報告給TCPM，TCPM讀取ALERT寄存器獲取CC鎖定狀態(tài)，緊接著收到Source端發(fā)送的Source_Capabilities,用同樣的方式報告給TCPM，然后TCPM通過數(shù)據(jù)緩存區(qū)獲取Source_Capabilities數(shù)據(jù)包，得到Source端的功率信息。然后TCPM根據(jù)功率需求，發(fā)送Request數(shù)據(jù)包給LDR6280，由LDR6280發(fā)送給對方Request數(shù)據(jù)包，從而請求出需要的功率。

如果LDR6280檢測到USB Type-C上的CC引腳有Sink建立連接，通過I2C中斷引腳報告給TCPM，TCPM讀取ALERT寄存器獲取CC鎖定狀態(tài)。緊接著，TCPM控制LDR6280，向Sink端發(fā)送Source_Capabilities數(shù)據(jù)包。對方的Sink通過獲取的Source_Capabilities數(shù)據(jù)包，得到TCPM設(shè)定的功率信息。然后Sink根據(jù)功率需求，發(fā)送Request數(shù)據(jù)包給LDR6280，由LDR6280報告并上傳數(shù)據(jù)包給TCPM，TCPM評估請求。如果同意，就先后控制LDR6280發(fā)送Accept和PS_RDY信息，如果拒絕，就控制LDR6280發(fā)送Reject信息。

LDR6280內(nèi)部集成了VCONN_SRC，適用于需要使用USB Type-C插座的VCONN引腳為附件和電纜供電的應(yīng)用。還連接了分壓電阻用于過壓檢測，以及采樣電阻用于過流檢測。

2、雙角色端口(DRP)應(yīng)用-帶有Type-C端口的筆記本電腦

嵌入式控制器管理電池充電器控制器(BCC)，控制電池的充電和放電。它作為USB Type-C端口管理器(USB Type-C Port Manager，TCPM)，通過I2C/SMbus的方式與LDR6280(USB Type-C Port Controller，TCPC)通信，實現(xiàn)功率的配置，以及通過VDM信息的協(xié)商等，控制USB芯片組 、DisplayPort芯片組分別輸出USB信號和DisplayPort信號。

以筆記本為例，LDR6280設(shè)置為DRP掃描，通過I2C中斷引腳輸出低電平來通知TCPM，底層狀態(tài)發(fā)生了改變。TCPM讀取TCPCI中規(guī)定的ALERT寄存器來獲取當(dāng)前的狀態(tài)信息?？斐涞膶崿F(xiàn)參照前面的多USB Type-C端口的移動電源的介紹，這里介紹高清音視頻部分。

功率配置完成后，主機(jī)的嵌入式控制器(TCPM)控制LDR6280進(jìn)行VDM信息的協(xié)商，包括DP Alt Mode的配置等，LDR6280如果收到Attention信息，報告給TCPM。TCPM通知DisplayPort芯片組進(jìn)行AUX通路的通信，讀取顯示設(shè)備的EDID信息，確認(rèn)支持后，輸出DisplayPort高清視頻信號給顯示設(shè)備。其中DisplayPort信號中還包含音頻信號。TCPM還通知USB芯片組輸出USB數(shù)據(jù)。其中USB 2.0也可以輸出音頻

信號，屬于數(shù)字音頻信號。還有模擬音頻信號，傳輸方式和數(shù)字音頻信號有很大不同，通過USB Type-C的A8(SBU1)或B8(SBU2)引腳傳輸MIC信號，A6和B6(都是D+)引腳傳輸右聲道，A6和B6(都是D-)引腳傳輸左聲道。A5和B5引腳用于檢測是否有模擬音頻插入，一定檢測到連接，LDR6280會通知TCPM有模擬音頻設(shè)備接入，然后TCPM通知模擬音頻模塊進(jìn)行模擬音頻信號傳輸。

審核編輯：湯梓紅