關(guān)于把USB 3.0老式端口轉(zhuǎn)換為一個(gè)Type-C方法教學(xué)

作者：德州儀器 (TI) 高速接口系統(tǒng)經(jīng)理, Anwar Sadat博士
USB Type-C提供了很多特性，其中包括為終端用戶提供高級(jí)靈活性和便利性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇提供的選項(xiàng)，這樣，可將總體系統(tǒng)成本控制在合理的范圍內(nèi)。有兩個(gè)選擇會(huì)對(duì)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度產(chǎn)生最大的影響，一個(gè)是Type-C的固有功率15W，另一個(gè)是增強(qiáng)供電能力和視頻支持。這篇文章討論了如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)USB Type-C端口，以及盡可能地減少它對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。

在電子行業(yè)中，USB Type-C存在于每一位系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的腦海中。這個(gè)接口將數(shù)據(jù)、電源和視頻合并在單個(gè)連接器接口中。它使得設(shè)計(jì)人員真正有機(jī)會(huì)在全新的平臺(tái)內(nèi)不使用圓柱形電源插孔連接器。USB Type-C支持USB 2.0和USB 3.1，并且提供交替 (Alt) 模式選項(xiàng)，比如說(shuō)用于視頻的DisplayPort。USB Type-C引入了15W的固有供電能力，以及在增加USB電力傳輸 (USB PD) 時(shí)，高達(dá)100W的增強(qiáng)型供電能力。這個(gè)接口引入了更小、更薄、并且更加穩(wěn)健耐用的插口，能夠支持高達(dá)20Gbps的數(shù)據(jù)速率。這條電纜支持雙向與兩面翻轉(zhuǎn)插拔，并且任何一個(gè)方向上均可連接一個(gè)主機(jī)或一個(gè)客戶端設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在思考，如何將這些可取的特性和靈活性提供給用戶。

我們先來(lái)設(shè)想一下，設(shè)計(jì)人員正在設(shè)計(jì)一個(gè)全新的筆記本平臺(tái)。如果將USB Type-C端口包含在其中的話，會(huì)使總體成本增加多少？需要多少全新的Type-C插口？它們都是全功能插口嗎？USB Type-C提供給最終用戶的靈活性和簡(jiǎn)便易用性同時(shí)也增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式的復(fù)雜程度與成本。雖然全新的生態(tài)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)方式提供了更多的選擇，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在嘗試使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)必須謹(jǐn)慎，以使他們的總體成本保持在可以接受的范圍內(nèi)。

那么，全新的筆記本平臺(tái)看起來(lái)是什么樣的呢？某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將會(huì)有可能選擇只包含一個(gè)全功能Type-C端口，用USB-PD提供增強(qiáng)型的供電能力。這個(gè)超級(jí)端口將支持Alt模式視頻。為了節(jié)約成本，降低復(fù)雜度，一個(gè)設(shè)計(jì)人員也許想用其它端口來(lái)提供簡(jiǎn)化功能，比如說(shuō)15W的固有Type-C供電功能，以及USB數(shù)據(jù)支持。

一個(gè)主要的考慮因素就是，在盡可能減少對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)產(chǎn)生影響的情況下，用USB Type-C替代以前的USB插口。這篇文章概述了如何用最小變化將一個(gè)USB 3.0老式端口轉(zhuǎn)換為一個(gè)USB 3.1 Type-C端口。

Type-C USB 3.1實(shí)現(xiàn)方式

USB Type-C是兩端同樣的接頭——主機(jī)和客戶端設(shè)備上是一樣的插座，電纜兩端是同樣的插頭。圖1顯示的是一個(gè)USB Type-C插座引腳圖。需要注意的是，24引腳接口采用對(duì)稱的排列方式，這使得電纜的翻轉(zhuǎn)更加方便。

圖1：USB Type-C插座引腳圖（正視圖）源：Type-C技術(shù)規(guī)格

除了USB 3.1 TX，RX，和USB 2.0 D+，D-信號(hào)，2個(gè)CC引腳被用于通道配置 (CC) 和USB-PD通信。一個(gè)典型的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式是用殘樁連接將2個(gè)D+信號(hào)和2個(gè)D-信號(hào)短接，這樣就不再需要用USB 2.0復(fù)用器 (mux) 來(lái)適應(yīng)插頭翻轉(zhuǎn)了。然而，出于對(duì)信號(hào)完整性的擔(dān)心，Type-C接口的每一端上都需要2:1復(fù)用器，這樣針對(duì)USB 3.1信號(hào)的殘樁連接是不可行的。如果使用Alt模式的話，需要一個(gè)USB-PD功能，而復(fù)用配置會(huì)變得更加復(fù)雜。

一個(gè)典型的USB 3.1實(shí)現(xiàn)方式包括2個(gè)基本功能：一個(gè)管理鏈路的CC控制器；一個(gè)針對(duì)RX和TX信號(hào)的USB 3.1復(fù)用器，用于根據(jù)Type-C插頭方向選擇已連接端。CC控制器需要能夠根據(jù)所需的系統(tǒng)運(yùn)行方式，將自身配置為一個(gè)下行端口 (DFP)，上行端口 (UFP) 或雙用途端口 (DRP)。表1中總結(jié)了不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)/供電運(yùn)行方式。

圖2：針對(duì)USB Type-C應(yīng)用的器件數(shù)據(jù)/供電類別

USB Type-C的主機(jī)-客戶端實(shí)現(xiàn)方式

USB Type-C包含一個(gè)通道配置功能；這個(gè)功能能夠在DFP與UFP之間建立一個(gè)USB鏈路。在傳統(tǒng)USB端口定義中，一個(gè)DFP端口可被視為一個(gè)主機(jī)，而UFP可被認(rèn)為是一個(gè)設(shè)備。CC功能用于確定以下內(nèi)容：

?DFP至UFP連接/斷開(kāi)檢測(cè)和插頭方向
?DFP至UFP（主機(jī)到設(shè)備）和供電關(guān)系（供電方/耗電方）檢測(cè)——在沒(méi)有USB-PD的缺省情況下，DFP（源）供電，UFP（灌）耗電
?供電方做出的USB Type-C VBUS電流通知，耗電方進(jìn)行檢測(cè)
?一旦連接，供電和數(shù)據(jù)傳輸用途只能通過(guò)USB-PD進(jìn)行更改

即使一個(gè)插座有2個(gè)CC引腳，CC1和CC2，一條電纜內(nèi)也只連接了單條CC電線。對(duì)于每個(gè)CC引腳，DFP具有一個(gè)上拉電壓，而UFP有一個(gè)下拉電壓。監(jiān)視CC引腳上的額定電壓提供了方向和連接檢測(cè)。

圖3：通道配置上拉/下拉模型

一個(gè)DFP使用不同的電阻器上拉（或電流源）值來(lái)告知其電流提供方的供電能力?；蛘?，一個(gè)UFP通過(guò)采用一個(gè)下拉電阻器，并執(zhí)行一個(gè)電壓比較，來(lái)檢測(cè)它的耗電量。在沒(méi)有USB-PD時(shí)，有3個(gè)電源設(shè)置是可行的——之前的缺省值（針對(duì)USB 3.1的900mA，針對(duì)USB 2.0的500mA），VBUS上的5V電壓，1.5A和3A電流。

圖4中顯示的是USB Type-C的典型主機(jī)-客戶端 (DFP/UFP) 實(shí)現(xiàn)方式。USB 3.1主機(jī)的一個(gè)示例就是臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦。PC中的Type-C端口與DFP類似，運(yùn)行為一個(gè)USB主機(jī)，為客戶端設(shè)備供電。另一方面，一個(gè)USB SuperSpeed客戶端設(shè)備的典型示例就是便攜式硬盤。這個(gè)硬盤運(yùn)行為一個(gè)USB設(shè)備，并且由VBUS供電。

圖4：USB Type-C的典型主機(jī)-客戶端 (DFP-UFP) 實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)Type-C技術(shù)規(guī)格，客戶端/用戶負(fù)責(zé)管理功耗。因此，一個(gè)客戶端設(shè)備需要根據(jù)主機(jī)的電流告知來(lái)動(dòng)態(tài)地控制功耗。一個(gè)替代方法將流耗保持在缺省限值以內(nèi)。DFP也有可能實(shí)現(xiàn)針對(duì)附件系統(tǒng)保護(hù)功能的電流限制。

如果一個(gè)DFP支持USB 3.1，它需要在USB Type-C電纜內(nèi)，用VCONN 為有源電子設(shè)備提供5V電源。通過(guò)插座的CC引腳（CC1或CC2）來(lái)施加VCONN；插座不是通過(guò)電纜內(nèi)的CC電線連接。相反的，它在插頭近端為電路供電。需要注意的是，每條全功能Type-C電纜都需要具有一個(gè)電子標(biāo)記。此外，較長(zhǎng)的電纜也許需要有源信號(hào)調(diào)節(jié)器。

USB Type-C的雙用途端口實(shí)現(xiàn)方式

USB Type-C還定義了一個(gè)DRP；在穩(wěn)定的連接狀態(tài)建立之前，它交替地將自己識(shí)別為DFP或UFP。如果一個(gè)DRP與DFP或UFP配對(duì)使用，它分別作為DFP或UFP運(yùn)行。如果將2個(gè)DRP配對(duì)使用，結(jié)果是隨機(jī)的，但會(huì)受到2個(gè)可選功能的影響：Try.SRC和Try.SNK。如果另外一端沒(méi)有偏好的話，具有Try.SRC的DRP更有可能變成一個(gè)DFP（源），而一個(gè)具有Try.SNK的DRP成為UFP（灌）的可能性更大。這些特性對(duì)于在生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)有序的供電方/耗電方關(guān)系很重要。例如，筆記本電腦應(yīng)該為手機(jī)供電——即使它們二者都具有DRP功能。

圖5：USB Type-C的典型DRP實(shí)現(xiàn)方式

Type-C USB 3.1解決方案

在不進(jìn)行重大的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)的情況下，要將現(xiàn)有的USB平臺(tái)（包含老式插口）輕松轉(zhuǎn)換為USB Type-C，需要一個(gè)CC控制器器件。為了支持USB SuperSpeed，還需要一個(gè)具有USB SuperSpeed復(fù)用功能的額外器件。

TUSB321是一個(gè)單芯片USB Type-C端口CC控制器，它可被配置為一個(gè)DFP，UFP或DRP。它是一款自主器件。實(shí)際上，借助某些預(yù)先設(shè)定的配置，它的運(yùn)行不需要任何的用戶干預(yù)。不過(guò)，可選擇進(jìn)行軟件干預(yù)，它能夠提供某些對(duì)設(shè)計(jì)人員有用的其它功能。

圖6：典型通道配置器件的功能方框圖

HD3SS3212是一款USB SuperSpeed無(wú)源復(fù)用器；它使用CC控制器提供的信號(hào)工程實(shí)驗(yàn)室 (SEL) 信號(hào)來(lái)選擇有源USB 3.1信號(hào)，以適應(yīng)Type-C翻轉(zhuǎn)插頭；針對(duì)高達(dá)10Gbps的數(shù)據(jù)速率，這個(gè)插頭支持USB 3.1 Gen 1和Gen 2。

圖7：針對(duì)SS RX/TX對(duì)選擇的復(fù)用器操作示例

某些系統(tǒng)也許需要針對(duì)USB SuperSpeed的增強(qiáng)信號(hào)，以符合插口的要求。一個(gè)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)復(fù)用器能夠提供信號(hào)調(diào)節(jié)與USB SuperSpeed開(kāi)關(guān)的雙重功能。USB Type-C提供音頻附件特性；這一特性能夠通過(guò)Type-C插口提供頭戴式耳機(jī)和麥克風(fēng)功能，從而在某些系統(tǒng)中，免除了對(duì)于3.5mm音頻端口的需要。音頻信號(hào)使用D+，D-和USB信號(hào)。要提供音頻功能，將會(huì)需要一個(gè)額外的復(fù)用器，而這不是本文的討論范圍。

總結(jié)

由于其功能性和靈活性，USB Type-C將會(huì)受到電子設(shè)備愛(ài)好者的廣泛歡迎。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和組件成本不會(huì)因這一巨大優(yōu)勢(shì)的存在而顯著增加。對(duì)于大多數(shù)基本實(shí)現(xiàn)方式，比如說(shuō)USB和15W電壓，這個(gè)轉(zhuǎn)換是很容易的——你只需要升級(jí)插口，添加一個(gè)CC控制器，以及一個(gè)可選的USB 3.1 SS復(fù)用器。