Type-C電子標(biāo)記線纜的設(shè)計(jì)

　　本文探討了USB Type-C和Power Delivery(簡稱PD)新的設(shè)計(jì)規(guī)格，并解釋與設(shè)計(jì)Type-C電子標(biāo)記線纜有關(guān)的方方面面。

　　USB Type-C是最新發(fā)布的USB線纜。它是一個(gè)簡單但卻強(qiáng)大的互連標(biāo)準(zhǔn)，旨在增強(qiáng)現(xiàn)有的USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)，并解決傳統(tǒng)USB存在的一些主要問題，其中包括：

　　● 固定的插入方向-傳統(tǒng)USB線纜必須正向插入。

　　● 固定的線纜方向-Type-A連接器必須連接上游設(shè)備，Type-B連接器必須連接下游設(shè)備。

　　● 較大的連接器尺寸-妨礙超薄工業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

　　圖1 USB Type-C：未來的連接器

　　USB Type-C借助以下增強(qiáng)特性解決上述所有問題：

　　● 可逆的插入方向：通過單線方向檢測從而允許線纜正反插。Type-C不會(huì)插錯(cuò)。

　　● 可逆的線纜方向- 線纜兩端的USB Type-C連接器完全相同，因此具備無方向性特點(diǎn)。

　　● 插頭高度僅為2.4mm，可打造超薄工業(yè)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高的封裝靈活性。

　　此外，USB Type-C還能輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá)100W的低成本供電功能。

　　圖2 USB供電

　　USB正從一種能夠提供有限電能的數(shù)據(jù)接口演變?yōu)榧瓤梢宰鲭娫粗饕峁┱咄瑫r(shí)也可以用作通用數(shù)據(jù)接口功能。USB供電已從USB 2.0(5V，500 mA)發(fā)展到USB 3.0(5V，900 mA)，再到電池充電(BC) v1.2(5V, 1.5A)，為更多日常設(shè)備提供電能。新的USB Type-C規(guī)范通過將能電流上限提至3.0Amps，將USB功率升至15W。USB供電(USB-PD)是一個(gè)全新規(guī)范，旨在通過一條線纜實(shí)現(xiàn)更加靈活的供電(最高 100W，20V，5A)和數(shù)據(jù)傳輸功能。其目的是允許對(duì)筆記本電腦、平板電腦和USB供電型硬盤以及類似高功率消費(fèi)電子設(shè)備進(jìn)行充電。某些市場制訂了基于USB接口的國內(nèi)手機(jī)充電標(biāo)準(zhǔn)，其中包括歐盟和中國。這兩個(gè)規(guī)范可提升手機(jī)以外設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

　　圖3 USB Type-C可減少線纜纏繞，并提高易用性

　　跑在 Type-C上的 USB-PD增加了一個(gè)通過Type-C信號(hào)的邊帶通信信道，即配置信道(CC)。CC導(dǎo)線既用于USB Type-C VBUS 電力級(jí)通知，也用于USB-PD協(xié)商與控制。USB-PD使用PD消息完成四個(gè)目的，包括：

　　1)數(shù)據(jù)包起點(diǎn)(SOP)枚舉。

　　2)VBUS 電壓與電流協(xié)商。

　　3)角色協(xié)商，三個(gè)類型的角色協(xié)商也通過USB-PD消息完成，它們包括USB數(shù)據(jù)、VBUS 電力和VCONN 電力。

　　4)Alternate Mode枚舉、協(xié)商與管理也通過USB-PD消息完成。

　　Type-C 集電力、數(shù)據(jù)和視頻于一條線纜中

　　圖4 通過Type-C傳輸電力、數(shù)據(jù)和視頻

　　Type-C接口包括：

　　● 支持DisplayPort、PCIe等alternate mode的兩組Superspeed USB線路(RX1/TX1和RX2/TX2);

　　● 用于Alternate Mode的兩條Sideband Use(SBU)線路;

　　● 用于Hi-Speed USB 2.0的Dp和Dn線路;

　　● 用于總線供電的VBUS線路;

　　● 用于為線纜控制器供電的VCONN 線路(只位于Type-C插頭接口上);

　　● 用于PD通信的配置信道(CC)。

　　插頭的翻轉(zhuǎn)問題

　　Type-C插座可處理線纜插頭的任意方向。USB Type-C插座完全對(duì)稱。所有的供電、接地和信號(hào)引腳兩邊對(duì)稱，從而讓USB Type-C插頭能夠在Type-C接口中任意翻轉(zhuǎn)。

　　圖5 Type-C可正反插

　　翻轉(zhuǎn)Type-C插頭時(shí)(如圖5所示)：

　　● GND、USB 2.0和VBUS 信號(hào)保持連接。USB 2.0信號(hào)被復(fù)制到Type-C插座的上下兩層，以保持任意方向的連接。

　　● 插頭上的VCONN 或CC引腳可以連接插座中的任意一個(gè)配置信道引腳-CC1或CC2 (取決于插入方向)。

　　● 兩條Superspeed線路的其中一條保持正確連接，USB Type-C 插座必須使用SuperSpeed mux合理地進(jìn)行連接。

　　如何檢測插頭方向

　　USB Type-C規(guī)范解釋了上行面端口(UFP)如何利用CC引腳CC1和CC2上的下拉電阻(Rd)申報(bào)成為一個(gè)外設(shè)。下行面端口(DFP)需要在CC1和CC2上配備上拉電阻(Rp)。所構(gòu)成的電阻分壓器用于確定Type-C外設(shè)是連接還是分離狀態(tài);以及Type-C插頭的方向，因?yàn)榫€纜中只連接了一個(gè)CC引腳 (如圖6所示)。

　　DFP， 尤其扮演USB 數(shù)據(jù)主機(jī)的DFP，通常是指PC等主機(jī)上的端口或者設(shè)備連接的集線器上的下行端口。在其初始狀態(tài)，DFP為VBUS 和VCONN供電。UFP是指設(shè)備上的端口或者連接DFP的集線器上的上行端口。

　　Type-C電子標(biāo)記線纜組件(EMCA)需要使用VCONN 向線纜內(nèi)部的標(biāo)記電子元件供電。這些EMCA在Type-C 插頭的VCONN 引腳上配有Ra終結(jié)電阻器。沒有電子標(biāo)記的Type-C線纜不含電子元件，因此不需要VCONN 供電。這些非EMCA線纜 中的 VCONN 引腳沒有固定在Type-C插頭。

　　圖6 Type-C連接/方向檢測

　　Type-C插座CC引腳上的Rp和Rd終結(jié)電阻器能夠檢測連接事件，并識(shí)別插座中Type-C 插頭的方向。 DFP和UFP監(jiān)測Type-C插座中兩個(gè)CC引腳的電壓相對(duì)于無端接電壓的電壓變化，以此監(jiān)測連接事件。UFP還監(jiān)測VBUS ，是檢測DFP連接的另一個(gè)指標(biāo)。DFP和UFP都能從各自連接端識(shí)別Type-C插頭方向，這是因?yàn)榫€纜中只連接了一個(gè)CC引腳。確定連接和方向后，如果檢測到 一個(gè)Ra 終結(jié)電阻器，DFP將把另一個(gè)CC引腳更改為VCONN，以便向 USB Type-C EMCA插頭中的電子元件供電。

　　Type-C電力傳輸

　　USB Type-C規(guī)范允許通過VBUS和接地信號(hào)，從DFP 到UFP最多可以傳遞15W電能。當(dāng)使用 “純Type-C”解決方案時(shí)，只能使用5V電壓傳送這15W電能。如果 您為“純Type-C”系統(tǒng)增加了USB PD規(guī)范，您就創(chuàng)建了一個(gè)“Type-C PD”系統(tǒng)，可將VBUS電壓提至5V以上，最高提至20V，并將VBUS電流最大升至5A。在“純Type-C”系統(tǒng)中，由DFP和UFP分別供電的Rp和Rd電阻器構(gòu)成的分壓器決定了VBUS電源的電流上限。UFP必須檢測這個(gè)Rp/Rd 電壓分壓器電壓，并用它來決定從VBUS電源獲得的最大電流。這個(gè)Rp/Rd 電壓分壓器電壓不是靜態(tài)的;隨著充電生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境變量不斷改變，DFP可以動(dòng)態(tài)改變其電流上限。UFP必須始終監(jiān)測這個(gè)電壓，并遵守DFP指示的新的VBUS電流上限。

　　純Type-C”解決方案的這個(gè)行為-即“DFP指示，UFP遵守”的行為-揭示了“純Type-C”系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。 “純Type-C”系統(tǒng)中不存在協(xié)商，而Type-C PD系統(tǒng)可雙向協(xié)商VBUS 電壓和電流。通過向一個(gè)“純Type-C”系統(tǒng)增添USB-PD，從而創(chuàng)建一個(gè)“Type-C PD”系統(tǒng)，您就能夠?yàn)閂BUS功率協(xié)商提供必要的靈活性。

　　實(shí)現(xiàn)USB-PD時(shí)，CC導(dǎo)線上承載的USB-PD雙相標(biāo)記編碼(BMC)用于實(shí)現(xiàn)USB Type-C端口之間的USB-PD通信。圖7顯示了USB-PD控制器如何連接CC導(dǎo)線，并向其引入BMC信令。圖中只顯示了一條CC線路(通過線纜連接的線路)。

　　圖7 USB PD over Type-C

　　標(biāo)記芯片如何以電子方式標(biāo)記線纜組件

　　一個(gè)電子標(biāo)記線纜組件(EMCA)就是一條USB Type-C線纜，它使用標(biāo)記芯片向DFP提供線纜的特性。線纜標(biāo)記是通過將一個(gè)USB PD控制器芯片嵌入到線纜的一端或兩端實(shí)現(xiàn)的 。這些標(biāo)記芯片由VCONN 供電(或VBUS 供電，取決于具體設(shè)計(jì))。VCONN是一個(gè)工作于2.7V和5.5V之間的低壓軌，但功率被限制在1W。 VBUS 可以是一個(gè)高達(dá)20V的高壓軌。雖然由VBUS 供電的標(biāo)記芯片具備更大功率的優(yōu)勢，但電壓較高的標(biāo)記芯片也更貴。因此，大多數(shù)標(biāo)記芯片由VCONN供電。

某些EMCA在其中一個(gè)槳片卡上配備一個(gè)標(biāo)記芯片，另一些則在兩個(gè)槳片卡上分別配備一個(gè)標(biāo)記芯片。如果使用了一個(gè)標(biāo)記芯片，則必須在連接兩個(gè)槳片卡的線纜中增加一根VCONN 導(dǎo)線。此外，必須在槳片卡上進(jìn)行隔離，以防止兩個(gè)VCONN同時(shí)由電壓驅(qū)動(dòng)，在VCONN 導(dǎo)線上發(fā)生沖突。設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)標(biāo)記芯片的決定應(yīng)考慮以下成本和收益：

　　● 如果線纜是一條光纜，兩個(gè)槳片卡之間沒有銅線，您必須將兩個(gè)標(biāo)記芯片設(shè)計(jì)到線纜中。這樣，無論插入DFP中的是哪一端，DFP都可以與線纜通信。

　　● 如果增加一條與線纜同長的VCONN導(dǎo)線以及增加一個(gè)用于安全整合兩條VCONN導(dǎo)線的隔離電路的總成本高于增加兩個(gè)標(biāo)記芯片的成本，您應(yīng)該考慮增加兩個(gè)標(biāo)記芯片。

　　● 有時(shí)候，為了簡化制造和庫存，在線纜中配備兩個(gè)相同的槳片卡要比配備兩個(gè)不同的槳片卡更簡單。

　　從DFP的角度而言，EMCA配備一個(gè)或兩個(gè)標(biāo)記芯片沒有成本或收益問題。DFP以此只能為一個(gè)芯片供電，而且只與一個(gè)標(biāo)記芯片通信。線纜控制器存儲(chǔ)與線纜ID和能力有關(guān)的配置數(shù)據(jù)。這些特性包括：

　　● VBUS 導(dǎo)線的額定電流

　　● 線纜長度

　　● EMCA的類型：被動(dòng)或主動(dòng)

　　● 線纜兩端連接器的類型：Type-C to Type-C、Type-C to Type-A等

　　● 線纜中控制器的數(shù)量: 一個(gè)或兩個(gè)

　　● 信令類型： USB 2.0、USB 3.1 Gen 1或USB 3.1 Gen 2

　　● 廠商ID：用于標(biāo)識(shí)EMCA制造商的16位ID

　　● 用于標(biāo)識(shí)EMCA產(chǎn)品的16位ID

　　● 對(duì)Alternate Modes(如DisplayPort、PCIe)的支持

　　● 對(duì)廠商專有協(xié)議(如廠商專有的對(duì)接協(xié)議)的支持

　　DFP必須利用USB PD或 SOP* 枚舉發(fā)現(xiàn)線纜的特性和UFP的功率要求。SOP是一個(gè)通配符ID，代表SOP、SOP’和SOP”。這些SOP ID可被視為Type-C多分支連接中的地址。SOP’代表距離DFP最近的EMCA標(biāo)記芯片。SOP”代表距離DFP最遠(yuǎn)的EMCA標(biāo)記芯片。SOP*枚舉是建立PD聯(lián)系的第一步，電子標(biāo)記只能通過USB PD BMC實(shí)現(xiàn)。