USB Type C規(guī)范詳解

USB Type C規(guī)范詳解

目前USB Type C接口應(yīng)用非常廣泛，可以傳輸DP，USB，PCIE，音頻等信號(hào)，已經(jīng)不是純粹的用來傳輸U(kuò)SB信號(hào)了，即USB Type C擺脫了和USB的從屬關(guān)系，自己當(dāng)家作主了。下面來介紹下USB Type C里面比較重要的點(diǎn)。

協(xié)議來源

USB官方網(wǎng)站上可以下載到最新的協(xié)議《USB Type-C Specification Release 1.4.pdf》，最新的為2019年4月3日。文末也會(huì)共享出來。

該協(xié)議主要內(nèi)容是：定義USB Type C的插頭，插座，和線纜

USB Type-C的Vbus的電流的檢測與使用

使用USB Type-C的源(主機(jī)或下游集線器端口)可以在vbus上實(shí)現(xiàn)更高的源電流，以便能夠更快地充電需要比USB3.2規(guī)范中指定的更多電流的移動(dòng)設(shè)備或供電設(shè)備。所有USB主機(jī)和集線器端口都通過CC引腳來設(shè)置當(dāng)前可用的電流水平。

USB PD各個(gè)模式供電能力如下表：

USB Type-C接口

Type-c接口有公頭和母座，如下圖：

Power有關(guān)的信號(hào)????

VBUS，USB線纜的bus power（和我們通常意義上VBUS保持一致），電源和GND都有4根線，這就是為什么能支持到100W的原因。? ????

VCONN（只有在插頭上才會(huì)有該信號(hào)），當(dāng)線纜里有芯片的時(shí)候，用來給線纜里的芯片供電（3.3V或5V）。? ????

USB 2.0數(shù)據(jù)線，D+/D-。它們在插頭端只有一對(duì)，和舊的USB 2.0規(guī)范一致。但為了支持正反隨意插。在插座端定義了兩組，這樣插座端可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合適的mapping。

USB3.1/USB3.2數(shù)據(jù)線，TX+/-和RX+/-，用于高速的數(shù)據(jù)傳輸。插頭和插座端都有兩組，用于支持正反隨意插。

Configuration的信號(hào)，對(duì)插頭來說，只有一個(gè)CC，另外一個(gè)偽VCONN，對(duì)插座來說，有兩個(gè)CC1和CC2。

SUB信號(hào)，用于USB拓展功能，可用于模擬音頻。

USB Type-C電纜

如下表，USB2.0規(guī)范的電纜長度小于4米，USB3.2 Gen1的長度小于2米，USB3.2Gen2的電纜長度小于1米。

全功能USB Type-C電纜信號(hào)說明

上圖是標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-C的電纜，高速信號(hào)差分對(duì)SDP都采用同軸線，信號(hào)地回流是通過屏蔽GND。

USB2.0/USB3.1/USB3.2線纜說明

如下圖，如果type-c線纜僅僅用作USB功能，那么其實(shí)有很多信號(hào)線是不需要的，只需要以下信號(hào)即可（USB3.2 Gen2x2除外）。USB2.0需要更少的線，其5-10信號(hào)是不需要的。

線纜的粗細(xì)線號(hào)

規(guī)范不指定金屬絲規(guī)。更粗的線造成較少的損失，但代價(jià)是電纜直徑和靈活性。多根電線可用于一條單線，如Vbus或地。建議使用最小的線號(hào)，以滿足電纜組裝、電氣和機(jī)械的要求。為了最大限度地提高電纜的靈活性，電纜的外徑應(yīng)該盡可能的減小。一個(gè)典型的USB全功能型Type-C型電纜外徑可從4mm至6mm，而一個(gè)典型的USB2.0型Type-C電纜外徑可從2mm至4mm。一個(gè)典型的USB Type-C的USB3.1電纜外徑可以從3mm到5mm。

線號(hào)參考如下表：

阻抗控制

SDP屏蔽差分線的阻抗控制在90Ω±5Ω，單端同軸線控制在45Ω±3Ω。阻抗應(yīng)該用200 ps(10%-90%)的上升時(shí)間來評(píng)估。

電源VBUS和GND

如下圖，電源的壓降要小于500mV，Gnd上面的壓降要小于250mV

配置通道（CC）詳解

配置通道CC的用途如下：

檢測USB設(shè)備是否接入；

檢測USB插入方向，并以此建立USB 數(shù)據(jù)通道的路由；

插入后幫助建立USB設(shè)備角色（誰為HOST，誰為Device）；

發(fā)現(xiàn)并配置VUBS，配置USB PD供電模式；

配置Vconn；

發(fā)現(xiàn)和配置可選的備用和輔助模式；

名詞解釋

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。

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(duì)外提供電源的設(shè)備。

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(dòng)硬盤。

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(dòng)態(tài)切換。典型的DRP設(shè)備是筆記本電腦。設(shè)備剛連接時(shí)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）。

USB PORT的供電（或者受電）情況，USB Type-C將port劃分為Source、Sink。

Source：通過VBUS或者VCONN供電。

Sink：通過VBUS或者VCONN接受供電。

DRP(Dual-Role-Power)：既可以作為Source，也可以作為Sink。到底作為Source還是Sink，由設(shè)備連接后的配置決定。

Source和Sink的連接過程

Source和Sink的通用USB情況下，配置接口的典型流程如下：

首先，檢測端口之間的有效連接（包括確定電纜方向、源/接收器和DFP/UFP關(guān)系）。

其次檢測電纜的能力。

再次接通USB供電（協(xié)商USB電力傳輸，選擇供電模式，電池充電等）。

最后進(jìn)行USB枚舉。

Source to Sink的連接檢測

如下圖，Source端是上拉電阻，Rp，Sink端接下拉電阻Rd

在未對(duì)接時(shí)，Source檢測到CC管腳都為高電平，Sink端檢測到CC管腳都未低電平。對(duì)接后，形成分壓，電平為中間值。Rp的阻值能表明Source能夠提供的功率水平。

源端CC1，CC2模型

如上圖

Source端使用一個(gè)MOS管去控制Vbus，初始狀態(tài)下，F(xiàn)ET為關(guān)閉狀態(tài)，Vbus不通。

Source端CC1/CC2均上拉至高電平，同時(shí)檢測是否有Sink插入，當(dāng)不論哪一個(gè)管腳檢測到有Rd下拉電阻時(shí)，說明Sink被檢測到。Rp的阻值表明Host能夠提供的功率水平。

Source端根據(jù)Cable中哪一個(gè)CC引腳為Rd下拉，去建立正確的USB高速數(shù)據(jù)路由，同時(shí)決定另外一個(gè)CC引腳提供VCONN

當(dāng)檢查到Sink接入后，Source使能Vbus和Vconn。

Source可以動(dòng)態(tài)調(diào)整Rp的值，告知Sink端的電流提供能力發(fā)生變化，告知SINK最大可以使用的電流

Source會(huì)持續(xù)檢測Rd，檢測到拔出事件后會(huì)斷開連接，Vbus和Vconn都會(huì)斷開。

如果Source支持高級(jí)功能（PD或者Alternate Mode），會(huì)通過USB PD協(xié)議進(jìn)行溝通實(shí)現(xiàn)。

Sink端CC1，CC2模型

如上圖

SINK的兩個(gè)CC引腳均通道Rd下拉到GND。

SINK通過檢測電源VBUS是否存在，來判斷Source的連接與否。

SINK通過CC引腳上拉的特性，來檢測目前的USB高速數(shù)據(jù)鏈路。

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

同樣的，如果支持高級(jí)功能，通過CC引腳進(jìn)行USB PD協(xié)議進(jìn)行溝通實(shí)現(xiàn)。

DRP的CC1，CC2模型

DRP模式（雙向供電）如上圖：

DRP使用MOS管來啟用/禁用Vbus的電源傳遞，并且在開始時(shí)禁用Vbus。

DRP使用開關(guān)來決定自身是Source端還是Sink端。

DRP在Source和Sink之間的切換：在建立特定的穩(wěn)定狀態(tài)之前，DRP在將自己在Source和Sink之間交替進(jìn)行，根據(jù)協(xié)議最終會(huì)確認(rèn)是Source還是Sink。當(dāng)DRP最終確定為Source端時(shí)，它遵循Source端操作協(xié)議來檢測Sink端是否接入。如果檢測到Sink端，則提供Vbus、Vconn，并繼續(xù)作為Source運(yùn)行。反之，當(dāng)DRP最終確定為Sink端時(shí)，它監(jiān)視Vbus以檢測它是否連接到一個(gè)Source，如果檢測到連接到Source，它將繼續(xù)作為Sink運(yùn)行。

Source to ?Sink工作過程

工作過程如上圖：

剛開始Source和Sink均處于未連接狀態(tài)；

Source和Sink物理連接后，Source探測到CC的下拉電阻Rd信號(hào)，打開電源Vbus和Vconn；

然后Sink端會(huì)探測到Vbus，進(jìn)入到連接狀態(tài)。

當(dāng)Source和Sink處于持續(xù)狀態(tài)，Source會(huì)根據(jù)需要改變Rp來設(shè)置最大電流輸出能力。Sink會(huì)檢測Rd上面的電壓來獲取能從Vbus上獲得的最大電流值。Source會(huì)監(jiān)測CC管腳來判定Sink是否被移出。Sink會(huì)監(jiān)測Vbus是否存在來判定是否和Source斷開。

電流能力與Rd上電壓vRd的關(guān)系如下表：

USB供電能力有三種，USB2.0，USB3.2單通道，USB3.2雙通道

除了Source to sink，當(dāng)Source連接到DRP，DRP端會(huì)自適應(yīng)為Sink端。

當(dāng)Sink連接到DRP，DRP端會(huì)自適應(yīng)為Source端。

Source連接到Source，Sink連接到Sink，都是不會(huì)成功的。

USB Power Delivery

USB Power Delivery電力傳輸是Type-C接口的特征之一。當(dāng)需要USB PD電力傳輸時(shí)，使用Bi-phase Mark Coded（BMC）編碼協(xié)議，通過CC管腳進(jìn)行通信。

CC的通信圖如下：

CC上面的BMC信號(hào)如下圖：

供電和充電

任何USB Type-c端口提供超過默認(rèn)電流和/或支持USBPower Delivery傳送應(yīng)滿足要求，就像它是一個(gè)充電器。

電源(如電池充電器、集線器、下游端口和主機(jī))均可用于電池充電。充電器使用USB Type-C接口或USB Type-C電纜實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)遵循以下要求：

電源應(yīng)使用USB Type-C current方法公開其功率能力，并可額外支持其他USB標(biāo)準(zhǔn)（USB BC 1.2或USB PD）

如果電源能夠提供大于默認(rèn)的VBUS的電壓，則應(yīng)完全符合USB PD規(guī)范，并應(yīng)僅使用USB PD協(xié)商其電源供電。

如果電源能夠提供大于3.0A的電流，則應(yīng)使用US PD規(guī)范來確定電纜的載流能力。

Type? C接口的充電器，只有當(dāng)它檢測到一個(gè)接收器被連接時(shí)，才能將電源VBUS接通，并且當(dāng)它檢測到Sink端被分離時(shí)，應(yīng)該從VBUS上移除電源。

電子標(biāo)記的線纜

所有USB全功能Type-C型電纜應(yīng)電子標(biāo)記。 eMarker是電子標(biāo)記電纜中的元素，該電纜響應(yīng)USB PD發(fā)出的標(biāo)識(shí)命令返回有關(guān)電纜的信息（如電纜的電流承載能力、性能、廠商標(biāo)識(shí)，支持的sstx/ssrx通道數(shù)等）。

電子標(biāo)記的電纜本身用電一般來自于Vconn，Vbus也有可能被用到。

一種典型的電子標(biāo)記電纜如上圖。隔離元件(Iso)應(yīng)防止Vconn通過電纜的端到端Ra電阻的作用是高速Source端，本電纜需要用到Vconn。

VPAs和VPDs

VPAs：VCONN-Powered Accessories--Vconn驅(qū)動(dòng)的附件

VPDs：VCONN-Powered USB Devices--Vconn驅(qū)動(dòng)的USB設(shè)備

VPAs和VPDs都是直接連接的sink，只需Vconn即可操作。兩者都在Vconn上接有電阻Ra，在CC上接有電阻Rd。通過判斷Vconn是否被移除，并以此來判斷設(shè)備是否斷開連接（在Vbus沒有的時(shí)候）。

如果VCONN供電配件希望提供充電功能，則必須通過在主機(jī)和充電端口上獨(dú)立協(xié)商電壓和電流來實(shí)現(xiàn)，并且可能在將Source端電壓傳輸?shù)絊ink之前重新調(diào)節(jié)電壓。 Sink能夠獲取VPAs通告給它的可承載電流。

電阻值設(shè)置

各電流值對(duì)應(yīng)的Rp的值如下表：

Rp都是5.1K電阻下地，電源供電能力的檢測與否與電阻精度相關(guān)

Ra的值的大小范圍為：800Ω-1.2K

相關(guān)電壓范圍

在Sink與Source連接后，因?yàn)镽p與Rd分壓的原因，Sink端的CC的電壓范圍如下表：

功能擴(kuò)展

USB Type-C的牛逼之處就在于其功能擴(kuò)展，即它不僅僅在只是用來傳輸U(kuò)SB信號(hào)了，可以拓展用于其它功能。

USB Type-C協(xié)議里面，拓展功能稱之為Alternate Mode，如何進(jìn)入Alternate Mode呢。有很多種功能，比如4 lane DP，DP 2lane+USB3.0，自然得在一開始就通過協(xié)議來溝通告知進(jìn)入哪一種模式。

那么是如何溝通的呢？還是通過CC管腳，通過PD協(xié)議來完成。

模擬音頻模式

3.5mm音頻接口可以轉(zhuǎn)Type-C端口，USB2.0數(shù)據(jù)通道傳輸模擬音頻信號(hào)，音頻右聲道接DP，音頻左通道接DN，MIC信號(hào)則連接在SBU引腳上，在這個(gè)模式當(dāng)中，電源可以提供到500mA電流。

如何工作在音頻模式呢？

通過將CC引腳和VCON短接接，并且下拉電阻小于Ra/2(根據(jù)上文，Ra最小為800Ω，則小于400ohm)，或者分別對(duì)地，下拉電阻小于Ra(小于800ohm)，則Host會(huì)識(shí)別為音頻模式。