USB-C可選模式應(yīng)用

　　USB-C簡介

　　USB-C即USB Type-C型接口，是USB協(xié)會(huì)最新推出的接口，相比傳統(tǒng)USB接口，USB-C具有結(jié)構(gòu)纖細(xì)、支持正反插、高電力傳輸、支持可選模式(DisplayPort/Thunderbolt等)輸出的突出優(yōu)質(zhì)特性，其尺寸比較如圖1所示。

　　圖1 高集成度的USB-C接口

　　USB-C的高集成度特性使得用戶可以在同一條線纜上傳輸數(shù)據(jù)、視頻、電力，精簡了設(shè)備使用的復(fù)雜度，使電子設(shè)備更加美觀精致，因此在消費(fèi)類電子市場中備受大家關(guān)注。

　　USB-PD協(xié)議是在USB-C接口上運(yùn)行的通信協(xié)議，與傳統(tǒng)USB協(xié)議不同，USB-PD協(xié)議通常不用于數(shù)據(jù)傳輸，只是進(jìn)行USB-C接口的屬性設(shè)置。簡單來說，USB-C是接口，USB-PD則用于建立包括供電能力，可選模式等的具體數(shù)據(jù)和供電屬性。

　　什么是USB-C的可選模式

　　可選模式是USB-C除了傳統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)傳輸以外額外支持的模式——比如圖像數(shù)據(jù)(DisplayPort)或者是雷電(Thunderbolt)等。USB協(xié)會(huì)為每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的可選模式頒發(fā)一個(gè)唯一的16bit的USB標(biāo)準(zhǔn)編碼(SID)，用于主從設(shè)備之間可選模式支持與否的溝通。

　　以DisplayPort以例進(jìn)行說明，DisplayPort(簡稱DP)是視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(VESA)推出的數(shù)字式視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，獲得了第一個(gè)可選模式的標(biāo)準(zhǔn)編碼(0xFF01)。

　　USB數(shù)據(jù)和DP可選模式的數(shù)據(jù)是可以同時(shí)傳輸?shù)模瑑煞N不同的數(shù)據(jù)將USB-C的四對(duì)高速差分信號(hào)線分割成兩組，分別傳輸不同數(shù)據(jù)，互不干擾。USBC還為可選模式提供了兩條作為補(bǔ)充的信號(hào)線Sideband Use (SBU)，它們的作用是傳輸?shù)退俚臄?shù)據(jù)或者配置信息，在DP模式中就被用于傳遞輔助通道(AUX)信號(hào)。(例如DP中的EDID等顯示器信息)

　　如何進(jìn)入U(xiǎn)SB-C的可選模式

　　在USB-C中提出了一個(gè)新的USB類——Billboard (USB2.0 設(shè)備)，它的作用是當(dāng)設(shè)備進(jìn)入可選模式失敗或者發(fā)生未知錯(cuò)誤的時(shí)候枚舉出來，主機(jī)由此獲取可選模式的狀態(tài)。如果在支持可選模式的外設(shè)中沒有集成Billboard，造成的最大影響就是主機(jī)無法有效知悉設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，如果客戶產(chǎn)品需要支持可選模式，那么必須在外設(shè)端增加Billboard設(shè)備。

　　進(jìn)入U(xiǎn)SB-C可選模式的必要條件：

　　1. 主機(jī)支持USB Type-C，USB-PD(Power Delivery)協(xié)議。

　　2. 主機(jī)支持某些可選模式。

　　3. 外設(shè)支持USB-PD協(xié)議。

　　4. 外設(shè)支持相對(duì)應(yīng)的可選模式。

　　外設(shè)與主機(jī)連接初始狀態(tài)為USB模式，之后會(huì)出現(xiàn)幾種不同情況，下文將進(jìn)行逐步分析：

　　1. 假如主機(jī)不支持USB-PD協(xié)議，在一定等待時(shí)間后，外設(shè)將枚舉Billboard設(shè)備通知電腦進(jìn)入可選模式失敗，如圖2所示。

　　2. 電腦支持USB-PD協(xié)議，卻不支持外設(shè)所選擇的可選模式，外設(shè)將枚舉Billboard設(shè)備通知電腦進(jìn)入可選模式失敗，如圖2。需要注意，目前Windows10系統(tǒng)支持Billboard設(shè)備類，Windows8系統(tǒng)需要安裝相應(yīng)的補(bǔ)丁才能支持。

　　圖2進(jìn)入可選模式失敗

　　3. 電腦既支持USB-PD協(xié)議，也支持外設(shè)的可選模式時(shí)，會(huì)按照以下流程進(jìn)入可選模式[1]:

　　a) 電腦發(fā)送“發(fā)現(xiàn)實(shí)體”(Discover Identity)的命令。

　　外設(shè)響應(yīng)該命令并聲明是一個(gè)支持可選模式的適配器Alternate Mode Adapter (AMA)。

　　b) 電腦發(fā)送“發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)廠商編碼”(Discover SVIDs)的命令，用于獲取外設(shè)所支持的所有可選模式。

　　外設(shè)響應(yīng)該命令并報(bào)告所支持的可選模式類型(如DP模式為0xFF01)。

　　c) 電腦發(fā)送“發(fā)現(xiàn)支持的子模式”(Discover Modes)命令用于獲取外設(shè)在某一標(biāo)準(zhǔn)廠商編碼下所支持的子模式。

　　外設(shè)響應(yīng)該命令并報(bào)告所支持的所有子模式。

　　d) 電腦根據(jù)外設(shè)的設(shè)置及電腦的限制選擇進(jìn)入相應(yīng)的模式(Enter Mode)。

　　外設(shè)收到該命令后回應(yīng)ACK，退出USB模式，并進(jìn)入相應(yīng)可選模式。

　　電腦收到該響應(yīng)后，退出USB模式，并進(jìn)入相應(yīng)可選模式。

　　這一流程可以用圖3概括。

　　圖3 USB-C電腦/設(shè)備進(jìn)入可選模式流程

　　根據(jù)USB-C的特性，可以做成形態(tài)各異的支持可選模式的擴(kuò)展設(shè)備，如圖4

　　圖4 USBC接口擴(kuò)展器

　　賽普拉斯高集成度的USB-C PD控制器方案

　　賽普拉斯(Cypress Semiconductor Corp.)從2014年推出世界首款可編程的USB-PD控制器以來到現(xiàn)在已經(jīng)迭代四代產(chǎn)品，其中具有代表性的高集成度產(chǎn)品是EZ-PD CCG3系列USB-PD控制器。

　　圖5 CCG3功能框圖

　　CCG3集成了一個(gè)Contex-M0 內(nèi)核， 一個(gè)USB-PD控制器，一個(gè)Billboard，以及豐富的模擬/數(shù)字資源。集成了硬件加密內(nèi)核，可以完整支持PD3.0功能。CCG3使用內(nèi)部USB Full-Speed內(nèi)核實(shí)現(xiàn)Billboard功能，兼具USB在線升級(jí)固件功能，方便產(chǎn)品的更新[2]。

　　CCG3的供電電壓范圍為2.7~21.5V，可以直接使用USB-C中的VBUS電壓。

　　CCG3集成的開關(guān)可以用于控制SBU信號(hào)與DP的AUX信號(hào)的通斷，這極大簡化了USB-C轉(zhuǎn)DP適配器的設(shè)計(jì)。

　　以DP模式設(shè)計(jì)為例，根據(jù)CCG3的特性，USB-C轉(zhuǎn)DP可選模式適配器的邏輯框圖如下[3],[4]：

　　圖6 USB-C轉(zhuǎn)DP的CCG3方案框圖

　　采用CCG3的DP轉(zhuǎn)換適配器外圍電路極其簡化，該單芯片方案僅需要有限的電阻電容即可正常工作。

　　總結(jié)

　　USB-C在繼承傳統(tǒng)USB接口優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)增加了可選模式，使這種接口技術(shù)更加開放包容，可以預(yù)見，海納百川的USB-C技術(shù)在未來幾年將成為市場主流，逐步取代傳統(tǒng)的USB接口或者DP接口。對(duì)當(dāng)前市場，USB-C可選模式轉(zhuǎn)換的適配器一定會(huì)作為過渡產(chǎn)品受到廣大外設(shè)廠商的追捧，同時(shí)個(gè)性化的產(chǎn)品形態(tài)是各家高瞻遠(yuǎn)矚的公司的首要選擇，采用如CCG3類似的可編程的高集成度USB-C PD控制器為設(shè)計(jì)平臺(tái)將為公司占領(lǐng)市場提供無限的可能性。

　　引用：

　　1. Universal Serial Bus Power Delivery Specification Revision 3.0, V1.0. 11 December 2015

　　2. EZ-PD™ CCG3 USB Type-C Port Controller Datasheet

　　(http://www.cypress.com/documentation/datasheets/ez-pd-ccg3-datasheet-usb-type-c-controller-power-delivery)

　　3. CCGX Frequently Asked Questions (FAQs) - KBA97244

　　(http://www.cypress.com/knowledge-base-article/ccgx-frequently-asked-questions-faqs-kba97244?source=search&keywords=KBA97244)

　　4. www.cypress.com/type-C