Source、Sink、DRP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

CC 的功能

1. 檢測(cè) USB 端口之間的連接。

2. 檢測(cè)電纜的方向和扭轉(zhuǎn)狀況，安排數(shù)據(jù)總線的路由。

3. 設(shè)定兩個(gè)連接起來的端口的數(shù)據(jù)角色。

4. 發(fā)現(xiàn)并配置 VBUS：USB-C 的電流模式或使用 PD 協(xié)議。

5. 配置 VCONN。

6. 發(fā)現(xiàn)并配置可選的替代模式和配件模式。

前一篇文章通過深入 TCPCI 規(guī)范的方式介紹了 TCPC，它就位于 TCPM 和 USB-C 型連接器之間，其與 USB 接口的連接就是兩條線 — CC1 和 CC2，它們會(huì)出現(xiàn)在各種 TCPC 芯片的引腳上和電路圖上，但在完成了與電纜和設(shè)備間的連接時(shí)就變成了 CC 和 VCONN，一個(gè)是用來完成配置和通訊功能的，一個(gè)是用來給電纜里的有源電路供電的。其實(shí)這段話說起來就有點(diǎn)復(fù)雜，現(xiàn)在我們就通過深入 USB-C 規(guī)范的方式來加深對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解。 從電源的角度來看，TCPC 出現(xiàn)在 USB 上可以有三種角色類型：Source(供電端)、Sink(用電端)和 DRP(雙重角色，或?yàn)楣╇姸耍驗(yàn)橛秒姸?，可根?jù)需要隨時(shí)變換)。 Source 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的：

Sink 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的：

Source 作為供電端，其輸出的 VBUS 是可控的，所以內(nèi)部包含一個(gè) MOSFET 開關(guān)做輸出控制，僅在需要時(shí)才會(huì)被打開送出電源。這個(gè)開關(guān)在早期的時(shí)候都用 P-MOSFET 來實(shí)現(xiàn)，后來改用 N-MOSFET，相應(yīng)地就會(huì)在驅(qū)動(dòng)它的地方使用電荷泵電路，再進(jìn)一步就把這部分電路都集成進(jìn) IC 里了，下圖就是可同時(shí)支持 PD/UFCS/私家協(xié)議的開關(guān)電源次級(jí)側(cè)反饋控制芯片 RT7206KLA 的做法，幾乎所有可見的東西都已經(jīng)集成化了，露出芯片外的只有輸入輸出端子，使用起來是非常簡(jiǎn)單的。

兩個(gè)端口都有 CC1 和 CC2 兩個(gè)端子，Source 端的 CC1 和 CC2 都用電阻 Rp 連接到電源供應(yīng)端(圖中顯示的是 5V 電源，但實(shí)際上也可以是其它電壓源如 3.3V)，Sink 的 CC1 和 CC2 都通過電阻 Rd 與地連接，這樣一來這兩個(gè)端口的空載特性馬上就表現(xiàn)出來了，即在沒有任何連接的時(shí)候去測(cè)量?jī)蓚€(gè)端口上的 CC1 和 CC2 的電壓，Source 端的就是 5V(假如其供電就如圖示是 5V 的話)，Sink 端的就是 0V。 標(biāo)準(zhǔn)的 USB-C 型插座的端子布置如下圖所示：

Source 和 Sink 內(nèi)部的 CC1 和 CC2 就與其中的 A5 和 B5 連接在一起，而 USB-C 型電纜的插頭引腳布置如下圖所示：

把它左右顛倒一下就知道它和插座連接的時(shí)候各引腳是如何對(duì)應(yīng)的了，此時(shí)插座的 CC1 到了插頭上連接的是 CC，插座的 CC2 到了插頭上變成了 VCONN，但是由于這個(gè)插頭是沒有方向性的，你再把它旋轉(zhuǎn) 180 度也是同樣可以插入的，這時(shí)候的連接關(guān)系就發(fā)生了變化，前述的 CC1 和 CC2 就要對(duì)換一下位置，相應(yīng)的數(shù)據(jù)線連接也發(fā)生了變化。而在電纜內(nèi)部呢，兩端插頭上的 CC 是連接在一起的，VCONN 則用于為電纜內(nèi)部的電子電路供電，我們拿電子標(biāo)簽 IC RT1731 的應(yīng)用電路圖來看一看就可以了解這一點(diǎn)：

圖中示范了兩種電纜使用電子標(biāo)簽的情況，第一種只使用了一個(gè)電子標(biāo)簽，兩個(gè)插頭都把 VCONN 連接到了電子標(biāo)簽上，而電子標(biāo)簽只可能放在靠近一個(gè)插頭的地方，另一端就需要引線過來，所以用線比較多。第二種電纜在靠近兩個(gè)插頭的地方都放置了電子標(biāo)簽，VCONN 線就不用拉得太長(zhǎng)了，而工作的時(shí)候又只有 Source 端會(huì)給 VCONN 供電，所以總有一個(gè)標(biāo)簽處于閑置狀態(tài)，看起來好像也有浪費(fèi)之嫌。 深入電子標(biāo)簽 RT1731 的內(nèi)部框圖去看一看，我們能看到它有兩個(gè) VCONN 連接端子，它們都能實(shí)現(xiàn)給器件供電的任務(wù)，但相互之間是隔離的：

所以無論哪種使用方式都能看到電纜兩端的 VCONN 是沒有連接在一起的。從這個(gè)電路里我們又看到了一個(gè)接地電阻 RA，它在 USB-C 規(guī)范里被稱為 Ra，阻值范圍為 800Ω~1200Ω，它存在的目的是用來標(biāo)示電纜的出現(xiàn)，但其作用在VCONN 供電正常以后就會(huì)消失或是減弱。

到現(xiàn)在為止，我們看到了三個(gè)電阻 Rp、Rd 和 Ra，它們只有在 Source、Sink 經(jīng)由電纜連接起來的時(shí)候才會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)電路中：

很顯然，當(dāng)這個(gè)連接一旦形成，上圖中四個(gè)箭頭所指的地方的電壓就不再與懸空時(shí)的電壓相同了，這個(gè)事件的發(fā)生就可以告訴 Source 和 Sink，一次 USB 設(shè)備間的連接已經(jīng)形成，我們需要對(duì)這些地方的電壓進(jìn)行檢測(cè)以確定連接是否正確。如圖中所示，Sink端還用這個(gè)狀態(tài)來確定連接的方向，但實(shí)際上 Source 端也需要做同樣的動(dòng)作，只是規(guī)范里是以另外的形式來表達(dá)的，我們以后再來談這個(gè)問題。 為什么我會(huì)想到需要確定連接是否正確?有的問題確實(shí)是過去不曾遇到的。早期的 USB 電纜的兩端其實(shí)都是不一樣的，連接下行接口的一側(cè)通常都是 USB-A 型接口，連接上行接口的一側(cè)則變化多端，有的是 Micro-B，有的是 Mini-AB，……，還有后來的兩組插頭組合而成的插頭，雖然我自己還在使用卻叫不出來的類型，它們的問題就是互不兼容，而且每一個(gè)都是有方向性的，有時(shí)為了插進(jìn)插座去要費(fèi)很大的勁，要想在黑暗中完成操作幾乎就是不可能的事情，但最新的 USB-C 卻把這些問題都避免了，電纜的兩端完全相同，也沒有正反之別，怎樣都能插進(jìn)去，而且在 Source 和 Sink 上的插座也沒有任何區(qū)別，所以你也可以把兩個(gè) Source 或兩個(gè) Sink 連接起來，只不過這是一個(gè)無意義的連接，它們之間根本無法適配。 當(dāng)兩個(gè) Source 被連接起來的時(shí)候，會(huì)不會(huì)發(fā)生兩個(gè)不同電壓的電源通過 VBUS 被連接起來?不會(huì)的，因?yàn)榍懊娴?Source 結(jié)構(gòu)圖上已經(jīng)可以看到 VBUS 輸出是受控的，只有連接正確以后該開關(guān)才會(huì)打開，打開以后 VBUS 上才會(huì)有正常的 5V 輸出，而需要其他的電壓則只有 PD 協(xié)議開始運(yùn)作以后才會(huì)發(fā)生。兩個(gè) Sink 的連接就更沒有這樣的問題了，它們都是 VBUS 的使用者，不會(huì)有非零的電壓輸出的。 我們知道 USB-C 型接口容許的電流輸出有幾種規(guī)格，一種是所謂的標(biāo)準(zhǔn)接口，就是符合 USB2.0 或 USB3.1 的 500mA 或 900mA，一種是 1.5A，還有一種是 3A。一個(gè) Source 要表示它的這種供電能力時(shí)就去選擇一個(gè)合適的 Rp 電阻值，然后 Rd 的阻值又是固定不變的 5.1kΩ，這樣的結(jié)果就是在 CC 線上表現(xiàn)出不同的電壓，Sink 端看到不同的電壓時(shí)就知道自己能夠吸取的電流是多少，然后再控制自己的電流吸取能力，這樣就能不超出 Source 的供電能力了。

Source 內(nèi)部給 Rp 起上拉作用的電源電壓可能是不同的，有的是 5V，有的是 3.3V，為了都能夠正確地表達(dá)自己的供電能力，相應(yīng)的 Rp 電阻值也就是不一樣的，下表列出了相關(guān)的數(shù)據(jù)：

上表右側(cè)第一列給出的是 Rp 上拉電壓為 3.3V 時(shí)為表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)輸出能力、1.5A 和 3.0A 使用的 Rp 電阻值分別為 36kΩ、12kΩ 和 4.7kΩ，右側(cè)第二列給出的是 5V 時(shí)的上拉電阻值。表中左側(cè)第二列給出來的是另外一種表達(dá)方式——電流源，它的電路模型是這樣的：

該電流源的輸出電壓容許范圍為 1.7V~5.5V，其 80/180/330μA 的電流輸出自然就會(huì)在 Sink 端的 Rd 上形成一個(gè)壓差，只需檢測(cè)上圖箭頭所指處的電壓就知道 Source 的供電能力了。 而一個(gè) Source 端的 TCPC 要表達(dá)這一點(diǎn)，控制它的 TCPM 只需要在其地址為 0x1A 的內(nèi)部寄存器里寫入數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)了。

這個(gè)就是 RT1718S 產(chǎn)品規(guī)格書里給出來的這個(gè)寄存器的定義，其中的 5:4 兩個(gè)位的不同組合分別表達(dá)了能夠提供的電流大小，與之對(duì)應(yīng)的就是從 CC 端流出的電流的大小，其參數(shù)又表現(xiàn)在規(guī)格書的參數(shù)表格里：

其實(shí)在設(shè)置上述寄存器的時(shí)候還需要選擇是對(duì) CC1 還是 CC2 進(jìn)行 Rp 的設(shè)定，這涉及到的是要如何確認(rèn)哪條線被作為 CC 線來使用的問題。出于篇幅的限制，本文就到這里結(jié)束，我們下次再繼續(xù)聊。

審核編輯：湯梓紅