【原創(chuàng)】細談Type-C、PD原理

轉(zhuǎn)載請注明來源出處，謝謝。

未完善，持續(xù)更新中

目錄

一、Type-C簡介以及歷史

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

三、Type-C的Data/Power Role識別協(xié)商/Alt Mode

四、如何進行數(shù)據(jù)鏈路的切換

五、相關(guān)參數(shù)/名詞解釋

六、PD協(xié)議簡介

七、行業(yè)相關(guān)信息

一、Type-C簡介以及歷史

自1998年以來，USB發(fā)布至今，USB已經(jīng)走過20個年頭有余了。在這20年間，USB-IF組織發(fā)布N種接口狀態(tài)，包括A口、B口、MINI-A、MINI-B、Micro-A、Micro-B等等接口形態(tài)，由于各家產(chǎn)品的喜好不同，不同產(chǎn)品使用不同類型的插座，因此悲劇來了，我們也要常備N中不明用途的接口轉(zhuǎn)接線材。

圖1 USB協(xié)議發(fā)布時間節(jié)點

而對于Type-C來說，看起來USB標(biāo)準(zhǔn)化組織也是意識到統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化問題，在定義標(biāo)準(zhǔn)時，除了硬件接口定義上，還增加了一部分“個性化”特點。分別是什么呢？

1.1 定義了全新的接口形態(tài)

接口大小跟Micro USB相近，約為8.3mm x 2.5mm，支持正反插，同時也規(guī)范了對應(yīng)的線材，接口定義如下（線材端只有一對USB2.0 DATA）：

在插座定義上，定義了如下兩種插座：

a）全功能的Type-C插座，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺和設(shè)備。

b）USB 2.0 Type-C插座，只可以用在支持USB2.0的平臺和設(shè)備上。

在插頭定義上，定義了如下三種插頭：

a）全功能的Type-C插頭，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺和設(shè)備。
b）USB 2.0 Type-C插頭，只可以用在支持USB2.0的平臺和設(shè)備上。
c）USB Type-C Power-Only插頭，用在那些只需要供電設(shè)備上（如充電器）。

在線纜定義上，定義了如下三種線纜：

a）兩端都是全功能Type-C插頭的全功能Type-C線纜。
b）兩端都是USB 2.0 Type-C插頭的USB 2.0 Type-C線纜。
c）只有一端是Type-C插頭（全功能Type-C插頭或者USB 2.0 Type-C插頭）的線纜。

還定義了N種為了兼容舊設(shè)備的線纜：

a）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-A插頭。
b）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Type-A插頭。
c）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-B插頭。
d）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Type-B插頭。
e）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Mini-B插頭。
f）一種線纜，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Micro-B插頭。
g）一種線纜，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Micro-B插頭。
h）一種適配器，一端是全功能的Type-C插頭，另一端是USB 3.1 Type-A插座。
i）一種適配器，一端是USB 2.0 Type-C插頭，另一端是USB 2.0 Micro-B插座。

以上這些線材，我們知道，Type-A接的是HOST，所以轉(zhuǎn)接線中，CC引腳需要接上拉電阻。Type-B接的是Device，因此CC引腳需要接下拉電阻。

其中，具備全功能的Type-C應(yīng)該具備E-Marker功能，由于具備E-Marker，線纜能夠被讀到其帶電流的能力、特性、線材ID等等。E-Marker的供電電源來自于VCONN，如何知道線纜需要VCONN呢？線纜會通過下拉的電阻Ra，Source檢測到之后會提供VCONN。

1.2傳輸速率，供電效能

最大傳輸速度10Gb/s,即是USB 3.1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)，也支持4 Lane DP模式，傳輸高清圖像，在供電部分，最大可以支持100W（20V/5A）

1.3 “個性化”協(xié)商機制

由于端口一致，線材兩端接口也一直，為了能夠區(qū)分兩端USB設(shè)備的角色（Host/Device），必須有一套協(xié)商機制，便于進行角色確認(rèn)，這部分通過CC(Configuration Channel)管腳進行設(shè)置。后面隨著PD規(guī)范的面世，CC腳開始被用來做簡單的半雙工通信，用來完成POWER供給的協(xié)商

1.4 強悍的一統(tǒng)天下的態(tài)勢

由于Type-C的擴展功能（SBU1/SBU2），大部分配件諸如耳機、視頻接口、Debug接口等等都可以實現(xiàn)兼容設(shè)計，成功逆襲以往所有的USB標(biāo)準(zhǔn)，成功上位！

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

2.1 Type-C的 Data Role

在USB2.0端口，USB根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚨x了HOST/Device/OTG三種角色，其中OTG即可作為HOST，也可作為Device，在Type-C中，也有類似的定義，只是名字有了些許修改。如下所示：

（1）DFP(Downstream Facing Port)：

下行端口，可以理解為Host或者是HUB，DFP提供VBUS、VCONN，可以接收數(shù)據(jù)。在協(xié)議規(guī)范中DFP特指數(shù)據(jù)的下行傳輸，籠統(tǒng)意義上指的是數(shù)據(jù)下行和對外提供電源的設(shè)備。

（2）UFP（Upstream Facing Port）：

上行端口，可以理解為Device，UFP從VBUS中取電，并可提供數(shù)據(jù)。典型設(shè)備是U盤，移動硬盤。

（3）DRP（Dual Role Port）：

雙角色端口，類似于以前的OTG，DRP既可以做DFP(Host)，也可以做UFP(Device)，也可以在DFP與UFP間動態(tài)切換。典型的DRP設(shè)備是筆記本電腦。設(shè)備剛連接時作為哪一種角色，由端口的Power Role（參考后面的介紹）決定；后續(xù)也可以通過switch過程更改（如果支持USB PD協(xié)議的話）。

2.2 Type-C的Power Role

根據(jù)USB PORT的供電（或者受電）情況，USB Type-C將port劃分為Source、Sink等power角色

如下圖顯示常用設(shè)備的Data Role和Power Role

Power Role 詳細可以分為：

a）Source Only

b）默認(rèn)Source，但是偶爾能夠通過PD SWAP切換為SINK模式

c）Sink Only

d）默認(rèn)SINK，但是偶爾能夠通過PD SWAP切換為Source模式

e）Source/SINK 輪換

f）Sourcing Device（能供電的Device，顯示器）

g）Sinking Host（吃電的Host，筆記本電腦）

三、Type-C的Data/Power Role識別協(xié)商/Alt Mode

USB Type-C的插座中有兩個CC腳，以下的角色檢測，都是通過CC腳進行的，但是對于插頭、或者線纜正常只有一個CC引腳，兩個端口連接在一起之后，只存在一個CC引腳連接，通過檢測哪一個CC有連接，就可以判斷連接的方向。如果USB線纜中有需供電的器件，其中一個CC引腳將作為VCONN供電。

3.1 CC引腳有如下作用：

a）檢測USB Type-C端口的插入，如Source接入到Sink

b）用于判斷插入方向，翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)鏈路

c）在兩個連接的Port之間，建立對應(yīng)的Data Role

d）配置VBUS，通過下拉電阻判斷規(guī)格，在PD協(xié)商中使用，為半雙工模式

e）配置VCONN

f）檢測還有配置其他可選的配置模式，如耳機或者其他模式

3.2 連接方向、Data Role、Power Role角色檢測

3.2.1SourceSink Connection

如圖所示，Source端CC引腳為上拉，Sink端CC引腳為下拉。握手過程為接入后檢測到有效連接（即一端為Host一端為Device），隨后檢測線材供電能力，再進行USB枚舉。

如下圖指示了Source端，在連接SINK之前，CC1和CC2的框圖模型：

a）Source端使用一個MOSFET去控制電源，初始狀態(tài)下，F(xiàn)ET為關(guān)閉狀態(tài)

b）Source端CC1/CC2均上拉至高電平，同時檢測是否有Sink插入，當(dāng)檢測到有Rd下拉電阻時，說明Sink被檢測到。Rp的阻值表明Host能夠提供的功率水平。

c）Source端根據(jù)Cable中哪一個CC引腳為Rd下拉，去翻轉(zhuǎn)USB的數(shù)據(jù)鏈路，同時決定另外一個CC引腳為VCONN

d）在此之后，Source打開VBUS，同時VCONN供電

e）Source可以動態(tài)調(diào)整Rp的值，去表示給Sink的電流發(fā)送變化，告知SINK最大可以使用的電流

f）Source會持續(xù)檢測Rd的存在，一旦連接斷開，電源將會被關(guān)閉

g）如果Source支持高級功能（PD或者Alternate Mode），將通過CC引腳進行通信

如下圖指示了SINK端CC1和CC2框架：

a）SINK的兩個CC引腳均通道Rd下拉到GND

b）SINK通過檢測VBUS，來判斷Source的連接與否

c）SINK通過CC引腳上拉的特性，來檢測目前的USB通信鏈路（翻轉(zhuǎn)）

d）SINK可選地去檢測Rp的值，去判斷Source可提供的電流。同時管理自身的功耗，保證不超過Source提供的最大范圍

e）同樣的，如果支持高級功能，通過CC引腳進行通信。

如下圖指示DRP的CC引腳在鏈接之前的架構(gòu)：

a）當(dāng)作為Source存在的時候，DRP使用MOSFET控制VBUS供電與否

b）DRP使用Switch去切換自身身份作為Source，或者是SINK

c）DRP存在一套機制，分三種情況，去決定自身是SINK或者是Source，去建立兩者間彼此的角色。

情況1：不使用PD SWAP，隨機變成Source/SINK中的任意一個，CC腳波形為方波

情況2：自身傾向于作為Source，執(zhí)行Try.SRC，問對面能不能做SINK呀，我做Source

情況3：與情況2相反，自身傾向作為SINK，執(zhí)行Try.SNK，你做Source，我做小弟

當(dāng)然還存在Source&Source，SINK&SINK這種搞基模式，唯一的結(jié)果就是一直停留在Unattached.SNK/Unattached.SRC，無法終成眷屬。

3.3 Type-C的其他模式

3.3.1 Display Port Alternate Mode

系統(tǒng)會通過USB PD協(xié)議中VDMs的信息通信（CC引腳通信），去告知支持Display Port模式。在這個模式當(dāng)中，USB SuperSpeed 信號允許部分傳輸USB，部分傳輸DP信號。

3.3.2 Audio Adapter Accessory Mode

如下圖，為3.5mm音頻輸入口轉(zhuǎn)Type-C端口，USB2.0鏈路被用來傳輸模擬音頻信號，若帶MIC，MIC信號則連接在SBU引腳上，在這個模式當(dāng)中，電源可以提供到500mA電流。

Host端如何識別到音頻模式呢？把CC引腳和VCON連接，并且下拉電阻小于Ra/2(則小于400ohm)，或者分別對地，下拉電阻小于Ra(小于800ohm)，則Host會識別為音頻模式。

3.3.3Debug Accessory Mode（DAM）

在DAM下，連接軟體和硬體提供可視化調(diào)試和控制的系統(tǒng)，使用較少。

四、如何進行數(shù)據(jù)鏈路的切換

4.1 純USB3.0

以TUSB546(DFP)，TUSB564(UFP)為例子

前者的使用例子如筆記本電腦、后者的使用例子如Monitor

如下圖，兩端設(shè)備會根據(jù)插入方向，切換數(shù)據(jù)鏈路。圖X插入連接為CC1，因此TUSB564切換到TX1/RX1

如圖插入連接為CC2，因此TUSB564切換到TX2/RX2，也就是根據(jù)CC引腳插入，識別插入方向

4.2 USB3.1和2 LANE of DisplayPort

切換原理如上，需要注意的是，DP信號是使用SBUx進行傳輸

4.3 純DP模式 4 lane

問題思考：如何確定是DP 4 lane模式或者是DP 2 lane+USB3.0 模式？

通過CC引腳，利用PD協(xié)議溝通，協(xié)商，PD Controler 發(fā)起請求，并得到回應(yīng)

五、相關(guān)參數(shù)/名詞解釋

5.1 上拉電阻Rp

Rp有6個參數(shù)（5V檔位和3.3V檔位各3個），指示著不同的供電能力。

5.2 下拉電阻Rd

都是5.1K電阻下地，能否檢測電源供電能力，取決于電阻的精度。

5.3 線材中的下拉電阻Ra

最小值800 ohm，最大值1.2K

5.4 名詞解釋

六、PD協(xié)議簡介

PD協(xié)議的通信編碼為Bi-phase Mark Coded (BMC)，通過CC腳進行通信。

CC引腳在Source和Sink的大致波形

七、行業(yè)相關(guān)信息