Type-C線纜和適配器,具有備用模式的Type-C適配器

USB Type-C 是 USB 端口的重大改進(jìn)，具有更快的速度和更強(qiáng)的輸電性能，可高速傳送數(shù)據(jù)、視頻并且提高了輸電能力。Type-C 的這些獨(dú)有優(yōu)勢(shì)可使消費(fèi)者僅需使用 Type-C 線纜即可完成充電、視頻或數(shù)據(jù)傳送，無(wú)需配備多種線纜。制造商僅需在其設(shè)備上設(shè)計(jì)并配備 Type-C 端口，即可支持不同用途。

Type-C 之所以具有多種功能，是因?yàn)?USB 線纜、端口、配接器和集線器中都使用了更為復(fù)雜的嵌入式元件，而不是過(guò)去簡(jiǎn)單的內(nèi)部工作元件?？此坪?jiǎn)單的 HDMI 轉(zhuǎn)Type-C 線纜其實(shí)很難設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)需要使用嵌入式元件。設(shè)計(jì) Type-C 解決方案時(shí)主要需要處理兩個(gè)難題，其一是處理供電范圍的難題，其二是處理由于采用更高的通信標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生通信故障的難題。連接兩臺(tái)設(shè)備時(shí)，需要啟動(dòng)電力輸送協(xié)議（PD 協(xié)議）。該過(guò)程將針對(duì)傳輸電量、以及誰(shuí)是供電方和用電方進(jìn)行協(xié)商。由于此通信過(guò)程需要檢測(cè)、讀取并處理模擬和數(shù)字信號(hào)，因此需要在主機(jī)端口、線纜或配接器中嵌入 MCU 模塊以實(shí)現(xiàn) MCU 功能。如果設(shè)備之間或主機(jī)與設(shè)備之間相互不支持，則無(wú)法建立通信，就有可能發(fā)生故障。檢測(cè)設(shè)備，然后設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行通信，這也需要 MCU 功能。

USB Type-C 不僅減少了接線數(shù)量，還能確保設(shè)備之間流暢傳輸，簡(jiǎn)化了用戶和消費(fèi)者的操作復(fù)雜性。但是，這會(huì)給設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)難題。

Type-C線纜和適配器

希望使用老式外圍設(shè)備（不支持 USB Type-C）的用戶需要使用轉(zhuǎn)換線纜或配接器。有多種此類情況。第一種是將 USB 2.0 簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換為 Type-C，由于 USB 2.0 不支持較高的速度且 Vbus 的電壓或電流不超過(guò) 5V 或 3A，線纜可簡(jiǎn)單地從 D+/D-、Vbus 和 GND 連接至連接器。第二種是 Type-C 轉(zhuǎn) Type-C線纜、將 USB 3.0/1 轉(zhuǎn)為 Type-C 的配接器、或者 Vbus 的電壓或電流超過(guò) 5V 或 3A 的配接器，設(shè)計(jì)此線纜或配接器比較困難。

在這些情況下，配接器成為兩臺(tái)設(shè)備間電量協(xié)商的組成部分，因此要求線纜或配接器使用嵌入式 PD 控制器。PD 控制器最初通過(guò)設(shè)為 5V 的 Vbus 或 Vconn 通道進(jìn)行供電。隨后，其與主機(jī)協(xié)商，在 Vbus 通道上設(shè)置為一致的電量水平。下圖是用于連接兩臺(tái)Type-C 設(shè)備的電子標(biāo)識(shí)電纜 (EMCA)。PD 控制器可由 Vconn 1 或 Vconn 2 供電。EMCA 將在 CC 通道上顯示其最大功率容量，源端將調(diào)整以適應(yīng)其功率。

USB Type-C 轉(zhuǎn) Type-C 線纜

具有備用模式的Type-C 適配器

備用模式是 Type-C 接口的功能擴(kuò)展，允許 Display Port、PCIe 或其他通信協(xié)議使用 USB 3.1 SuperSpeed 通道。在適配器連接至兼容主機(jī)時(shí)進(jìn)入備用模式。支持備用模式的配接器需要額外的預(yù)防措施和嵌入式設(shè)備。如果配接器不能進(jìn)入備用模式，則必須通知主機(jī)，以避免隱蔽故障。通過(guò)布告牌設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)通知功能，在 USB Type-C PD 標(biāo)準(zhǔn)授權(quán)下，任何備用模式的配件都可作為布告牌設(shè)備。下面的方框圖是將傳統(tǒng)視頻端口轉(zhuǎn)為 Type-C 的線纜圖。如果 Type-C 設(shè)備不支持傳統(tǒng)視頻格式，則 PD 控制器將通知布告牌設(shè)備，并且會(huì)將該故障依次通知 Type-C 設(shè)備。

USB Type-C 適配器線纜

USB Type-C 備用模式適配器線纜

擴(kuò)展塢或集線器

擴(kuò)展塢或集線器是比顯示器/Type-C 轉(zhuǎn) Type-C 更為復(fù)雜的示例，必須支持多臺(tái)設(shè)備充電功能。集線器可作為多種 Type-C 或 Type-A 端口、HDMI、PCIe 等接口的集合。該集線器需要多種嵌入式設(shè)備，從而成功支持連接設(shè)備。每個(gè)端口需要的電量不同，取決于連接什么設(shè)備?？紤]到這一點(diǎn)，則每個(gè)端口都可能需要 PD 裝置。

顯示器、VGA 或 HDMI 等任何視頻端口都將需要布告牌設(shè)備。另外，集線器需要可控制至主機(jī)流量的設(shè)備。此設(shè)計(jì)要求自從 Type-A 集線器以來(lái)沒(méi)有多大變化，因?yàn)樾璺乐雇ǖ喇a(chǎn)生沖突并確保一次僅有一臺(tái)設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行通信。顯然，之前的簡(jiǎn)單集線器現(xiàn)在需要更為復(fù)雜和嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。

多重連接器 Type-C 集線器線纜

解決方案

所有增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性不僅僅是由開(kāi)發(fā)人員來(lái)承擔(dān)。Silicon Labs 提供開(kāi)發(fā)板、PD 庫(kù)、布告牌源代碼以及針對(duì)配接器、擴(kuò)展塢和設(shè)備端口的示例代碼。通過(guò)在開(kāi)發(fā)新 Type-C 設(shè)備時(shí)使用這些工具，客戶可大幅減少 USB Type-C 的開(kāi)發(fā)時(shí)間和工作量。

Silicon Labs 提供的開(kāi)發(fā)板如下所示，可運(yùn)行具有充電功能的 Vesa? DisplayPort? 備用模式適配器。在此類設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可通過(guò)允許電源（充電）和視頻使用同一端口，進(jìn)而增加主機(jī)上單一 Type-C 端口的功能。該開(kāi)發(fā)板上有兩個(gè) PD 控制器（每個(gè)端口各有一個(gè)）以及隨附于 DisplayPort 的布告牌設(shè)備。參考設(shè)計(jì)解決了以下問(wèn)題：切換至備用模式、充電、通知主機(jī)發(fā)生故障，以及確保向顯示端口和主機(jī)輸送適當(dāng)?shù)碾娏Α?/p>

較之于創(chuàng)建新平臺(tái)并從頭開(kāi)始編寫固件，從如圖所示的開(kāi)發(fā)板和提供的固件入手將會(huì)更容易且更快捷。借此，制造商和供應(yīng)商可以領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，推出功能更強(qiáng)大的 Type-C 解決方案。

Silicon Labs 的 MCU 與 Busy Bee 3 類似，借助 PD 功能在面積僅有 3x3 mm2的單芯片（具有精密振蕩器、硬件 PD PHY 層）上簡(jiǎn)化了 Type-C 設(shè)計(jì)，從而為客戶提供材料清單成本較低的 PD 解決方案。用于參考設(shè)計(jì)中的 UniversalBee 1 是一種可實(shí)現(xiàn)布告牌功能的單芯片解決方案。借助集成調(diào)節(jié)器、精密振蕩器、USB 2.0 PHY 層和 USB 引腳上的±8KV 靜電 (ESD) 防護(hù)措施，面積為 3x3 mm2的設(shè)備無(wú)需外部元件即可發(fā)揮布告牌功能。

總結(jié)

USB Type-C 將成為未來(lái)的通用標(biāo)準(zhǔn)。在放滿線纜的抽屜里尋找合適的轉(zhuǎn)換器或線纜的日子已經(jīng)一去不復(fù)返。展望未來(lái)，選擇接線時(shí)將考慮其端頭是插頭或插口，及是否可以傳輸更高的電量。市面上已經(jīng)有只具備 Type-C 端口的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦，這些先鋒的設(shè)備僅僅是個(gè)開(kāi)始。也就是說(shuō)，Type-C 需要嵌入式設(shè)備和固件，才能提供多種多樣的功能，這為開(kāi)發(fā)人員和制造商遷移設(shè)備帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。Silicon Labs 提供參考設(shè)計(jì)、庫(kù)、固件和支持團(tuán)隊(duì)，專門致力于為各種應(yīng)用簡(jiǎn)化 Type-C 設(shè)計(jì)要求。

（本文作者為Silicon Labs產(chǎn)品經(jīng)理Mark Beecham）

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