USB Type-C設(shè)計(jì)考量千頭萬緒 　參考設(shè)計(jì)搞定大小麻煩事

　　最新推出的USB Type-C速度更快、電力傳輸效能更佳，更可支援多種影音傳輸協(xié)定。不過，由于功能與用途更為復(fù)雜，應(yīng)用開發(fā)者在整合USB Type-C介面時(shí)，也得把更多細(xì)節(jié)考慮進(jìn)去。善加利用參考設(shè)計(jì)，將可有效解決應(yīng)用開發(fā)過程中遇到的疑難雜癥。

　　大多數(shù)常用的電子設(shè)備，都配有某種類型的通用序列匯流排(USB)連接埠。此類連接埠包括Micro、Mini、Type-A，且皆可采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如2.0或是更新的3.1。相較于這些連接埠，USB Type-C的功能可說有了大幅的躍進(jìn)，而且速度更快、電力傳輸效能更佳。利用此更為先進(jìn)的接頭，可解決其前代產(chǎn)品出現(xiàn)的所有問題。Type-C可處理高速資料、視訊以及大量電力。藉由Type-C的這些擴(kuò)充功能，消費(fèi)者只須使用Type-C連接線即可實(shí)現(xiàn)充電、串流視訊或傳輸資料，不必再大費(fèi)周章地使用各種連接線。制造商基本上只須在其裝置中提供與開發(fā)Type-C連接埠即可支援不同用途。

　　支援多通訊協(xié)定　Type-C提高裝置可用性

　　Type-C的多功能性使得設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜，因?yàn)樵谑褂眠B接線、連接埠、Dongles和集線器時(shí)，USB極為簡單的內(nèi)部運(yùn)作現(xiàn)已為較復(fù)雜的嵌入式元件所取代?？此坪唵蔚腍DMI轉(zhuǎn)Type-C連接線在設(shè)計(jì)上卻不容易，原因就在于需要嵌入式裝置。在開發(fā)Type-C解決方案時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)主要難題，第一是處理連接埠能夠提供的大范圍電力。第二是避免因支援的通訊標(biāo)準(zhǔn)增加而可能發(fā)生的通訊失敗問題。當(dāng)連接兩個(gè)裝置時(shí)，電力傳輸(Power Delivery, PD)協(xié)定即開始執(zhí)行。

　　該程序須要針對傳輸?shù)碾娏?、電源供?yīng)器與電力消耗裝置進(jìn)行協(xié)商。由于此通訊需要偵測、讀取與處理類比和數(shù)位訊號，因此需要透過主機(jī)連接埠、連接線或Dongles中的嵌入式MCU取得MCU功能。當(dāng)裝置或主機(jī)彼此無法支援且無法建立通訊時(shí)，就會(huì)發(fā)生故障。偵測到訊號后會(huì)將訊號傳輸至主機(jī)，并且需要進(jìn)一步的MCU功能。

　　USB Type-C不但能夠減少使用的連接線，還可確保裝置之間順利協(xié)作，為使用者和消費(fèi)者的生活帶來相當(dāng)大的便利性，但卻也會(huì)為設(shè)計(jì)者和開發(fā)人員帶來麻煩。目前，市面上已有很多類型的USB連接埠和連接線，包括Mini、Micro、Type-A、Type-B等。繁多的種類很容易造成混淆，例如行動(dòng)電話的連接埠與筆記型電腦的連接埠不同，而筆記型電腦的連接埠又和數(shù)位相機(jī)的連接埠不同。USB Type-C 將大部分的連接縮減成單一標(biāo)準(zhǔn)(圖1)，可涵蓋所有裝置并提高可用性。USB Type-C可支援多個(gè)通訊協(xié)定，并且可向后相容于USB 2.0。監(jiān)視器、耳機(jī)、充電器以及鍵盤等幾乎所有配件都能使用USB Type-C與電腦、平板電腦和智慧型手機(jī)等裝置進(jìn)行通訊。

　　圖1　USB Type-C插座連接埠使其他連接符合單一標(biāo)準(zhǔn)。

　　連接埠與連接線的配置如圖2、圖3所示。由于插座連接埠中的訊號采用對稱設(shè)計(jì)，因此翻轉(zhuǎn)插頭并不會(huì)造成任何問題。USB 3.1 SuperSpeed TX/RX、VBUS、GND以及所有其他引腳會(huì)正確連接，不必考慮方向性。從使用者角度來看，因?yàn)門ype-C連接線可以任一方向插入，因此是Type-A連接埠的升級版。

　　圖2　USB Type-C插座連接埠

　　圖3　USB Type-C插頭引出線

　　USB Type-C具有多功能且方便易用，但卻增加了采用USB Type-C的裝置的內(nèi)部復(fù)雜性。雖然增加功率容量，可提供高達(dá)100W的電力，為高電流裝置充電，但也為不需要如此高功率的裝置造成問題。電力傳輸協(xié)定也因此應(yīng)運(yùn)而生。PD可確保透過任何連接裝置傳輸或獲得適當(dāng)范圍的功率。

　　主機(jī)下行/裝置上行連接埠　兩者須在功率達(dá)成一致

　　在討論USB Type-C之前，有必要先對裝置、主機(jī)、電源供應(yīng)器(電源)和電源接收器(消耗裝置)進(jìn)行區(qū)分。主機(jī)不一定是電源，因此這兩個(gè)名詞不能夠交替使用。主機(jī)發(fā)起所有通訊而裝置做出回應(yīng)。一般而言，主機(jī)是下行連接埠(或稱為DFP);裝置則是上行連接埠(或稱為UFP)。如果連接兩臺(tái)主機(jī)，則主機(jī)可充當(dāng)雙重用途連接埠(或稱為DRP)，在主機(jī)和裝置角色之間切換。以下例子針對上述詞匯提供說明：將鍵盤連接至筆記型電腦時(shí)，鍵盤是UFP和消耗裝置，而筆記型電腦是DFP和電源。

　　連接裝置之間的初始電力傳輸協(xié)議是透過一系列電阻器執(zhí)行，當(dāng)Type-C插頭插入插座時(shí)，這些電阻器充當(dāng)CC線路上的分壓器。由于插頭中的CC線路會(huì)連接至插座中的CC1或CC2，因此插座只要測量CC1和CC2線路上的電壓，即可判定插頭的方向。上拉電阻的不同數(shù)值可傳達(dá)電源能夠提供的電流量，同時(shí)可確定UFP和DFP分別是什么。電力消耗裝置沒有辦法透過不同的下拉電阻值指出其消耗的電流量，而是必須不斷地調(diào)整其負(fù)載以符合電源供應(yīng)器可提供的最大電流。

　　為了能夠正確讀取分壓器，兩個(gè)裝置都需要有類比處理單元，通常是以MCU內(nèi)部精準(zhǔn)的ADC形式出現(xiàn)。ADC可持續(xù)測量CC線路上的電壓，藉此監(jiān)控插頭與插座之間的連接。MCU也稱為PD控制器，可處理完整的實(shí)體層以及上層協(xié)定，也會(huì)與正在傳輸或接收的功率進(jìn)行協(xié)商。若針對簡單的Type-C應(yīng)用，功率協(xié)商機(jī)制可使用電阻停止。但是為了提供更具適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，裝置可透過在CC線路上進(jìn)行通訊，對于不同的設(shè)定達(dá)成一致意見。

　　決定插頭方向以及初始功率之后，裝置會(huì)使用CC線路彼此通訊(圖4)。透過這種方式，裝置可以在不同的電源功率上達(dá)成一致，并且指定消耗裝置或電源，以即時(shí)調(diào)節(jié)電力傳輸。CC線路通訊也可以用于通知將使用的通訊類型。如先前所述，USB Type-C可于高速線路、USB 2.0等進(jìn)行通訊。裝置會(huì)通知這些線路中可以透過CC線路使用的線路。但是并非所有裝置都支援所有通訊協(xié)定。

　　圖4　USB Type-C通道線路拓?fù)?/p>

　　如果兩個(gè)連接裝置彼此并不支援，則會(huì)出現(xiàn)故障。舉例來說，如果只能從主機(jī)接收視訊的監(jiān)視器連接至無法支援或提供視訊資料的主機(jī)，將會(huì)出現(xiàn)故障。如果發(fā)生這種情況，主機(jī)仍然無法獲知失敗，原因是無法建立通訊。有鑒于此，USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)要求監(jiān)視器上的嵌入式裝置或是裝置端作為故障防護(hù)裝置，也稱為告示裝置。告示裝置會(huì)在無法建立通訊的D+和D-線路上透過USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)將訊號傳送至主機(jī)。然后，主機(jī)會(huì)通知使用者兩個(gè)裝置并不相容(圖5)。告示裝置一般會(huì)是MCU，可能和PD控制器相同。

　　實(shí)現(xiàn)舊設(shè)備轉(zhuǎn)接　Dongle扮演功率協(xié)商角色

　　如要使用者想要使用不支援USB Type-C的舊型周邊設(shè)備，則須要使用轉(zhuǎn)換線或Dongle。有幾點(diǎn)須要解釋，第一是簡單的USB 2.0轉(zhuǎn)Type-C。由于USB 2.0不支援較高速度，且在Vbus上不需要5V或3A以上的電壓或電流，因此連接線只須將D+/D-、Vbus和GND傳送至接頭即可。而比較困難的是如何開發(fā)Type-C轉(zhuǎn)Type-C連接線、轉(zhuǎn)換USB 3.0/1為Type-C的Dongle，或是在Vbus上需要5V或3A以上電壓或電流的裝置。

　　圖6　USB Type-C轉(zhuǎn)Type-C連接線

　　在這些情況下，Dongle成為兩個(gè)裝置間功率協(xié)商的一部分，要求連接線或Dongles具有嵌入式PD控制器。PD控制器最初是透過設(shè)定為5V的Vbus或是Vconn線路供電，接下來會(huì)與主機(jī)協(xié)商，就Vbus線路中的電源功率達(dá)成一致意見。圖6顯示電子標(biāo)記的連接線組件，或EMCA范例，將兩個(gè)Type-C裝置連接在一起。PD控制器的電源可由Vconn1或Vconn2提供。EMCA會(huì)通知其在CC線路上的最大功率容量，電源則會(huì)作出相應(yīng)調(diào)整。

　　替代模式(Alternate Mode)是Type-C介面的功能延伸，可允許Display Port、PCIe或其他通訊協(xié)定使用USB 3.1 SuperSpeed線。當(dāng)轉(zhuǎn)接器與相容主機(jī)連接時(shí)，將會(huì)進(jìn)入替代模式。支援替代模式的Dongle需要額外的預(yù)防措施與嵌入式裝置。Dongle必須告知主機(jī)其是否能夠進(jìn)入替代模式以避免無訊息錯(cuò)誤。

　　Dongle透過告示裝置進(jìn)行通知，而USB Type-C PD標(biāo)準(zhǔn)則授權(quán)任何替代模式配件執(zhí)行告示裝置。圖6顯示可將舊型視訊連接埠轉(zhuǎn)換為Type-C的連接線。如果Type-C裝置不支援舊型視訊格式，PD控制器將通知告示裝置，接下來再將錯(cuò)誤情況告知Type-C裝置。

　　比顯示埠/Type-C轉(zhuǎn)Type-C更加復(fù)雜的是擴(kuò)充基座或集線器，其必須支援許多裝置的充電。集線器可以是多個(gè)Type-C或Type-A連接埠、HDMI、PCIe等的組合(圖7)。此集線器需多個(gè)嵌入式裝置，才能成功支援連接裝置。根據(jù)連接裝置的不同，每個(gè)連接埠所需的電量不同?？紤]到這一點(diǎn)，每個(gè)連接埠可能需要一個(gè)PD裝置。

　　圖7　多接頭 Type-C集線器連接線

　　任何視訊連接埠(例如顯示埠、VGA或HDMI)都需要告示裝置。此外，集線器需要裝置來控制傳到主機(jī)的流量。這一點(diǎn)相比Type-A集線器并無太大變化，因?yàn)轫毐苊饩€路上產(chǎn)生碰撞，并且確保一次只有一個(gè)裝置與主機(jī)通訊。顯然，相對于先前簡單的集線器，現(xiàn)在對于設(shè)計(jì)的要求更復(fù)雜、更嚴(yán)苛。 更形復(fù)雜的設(shè)計(jì)重任并不須要完全由開發(fā)人員承擔(dān)。Silicon Labs提供開發(fā)板、PD程式庫、告示原始碼以及用于Dongle、擴(kuò)充基座和裝置連接埠的范例碼?？?戶如果在開發(fā)新Type-C裝置時(shí)使用這些工具，可大幅減少投入U(xiǎn)SB Type-C開發(fā)的時(shí)間和精力。

　　開發(fā)板解決方案簡化Type-C設(shè)計(jì)

　　以下是該公司所提供的開發(fā)板，可利用充電功能執(zhí)行VESA DisplayPort替代模式轉(zhuǎn)接器。類似的開發(fā)裝置可透過單一連接埠實(shí)現(xiàn)供電、充電以及視訊傳輸，進(jìn)而增加主機(jī)上單一Type-C連接埠的功能。開發(fā)板上有兩個(gè)PD控制器，每個(gè)連接埠會(huì)使用一個(gè)，而告示裝置會(huì)透過另一個(gè)與DisplayPort搭配使用。參考設(shè)計(jì)可處理切換至替代模式、充電、告知主機(jī)錯(cuò)誤情況，并且確保電力正確傳輸至顯示埠與主機(jī)。

　　從開發(fā)板開始(圖8)，在提供的韌體上作業(yè)，要比建立新平臺(tái)并從頭開始編寫韌體來得輕松、快速。制造商和供應(yīng)商藉此可以為Type-C解決方案提供更多功能，速度也比競爭對手更快。

　　圖8　開發(fā)板上有兩個(gè)PD控制器，可利用充電功能執(zhí)行VESA Display-Port替代模式轉(zhuǎn)接器。

　　該公司的MCU(例如，Busy Bee3)簡化了Type-C的設(shè)計(jì)，將PD功能融入僅3×3mm2的單晶片中，并提供精密震蕩器、硬體PD PHY層級，并且為客戶提供低物料成本PD解決方案。

　　參考設(shè)計(jì)中使用的Universal Bee1是提供告示功能的單晶片解決方案。整合式穩(wěn)壓器、精密震蕩器、USB 2.0PHY層級以及USB引腳上的±8KV ESD保護(hù)，使得此3×3mm2裝置能夠執(zhí)行告示功能，而無需外部元件。

　　USB Type-C是因應(yīng)未來趨勢的標(biāo)準(zhǔn)。從塞滿纜線的抽屜中找出正確的轉(zhuǎn)換頭或是纜線端的日子已不復(fù)見。展望未來，選擇連接線時(shí)須要判斷連接線是插頭或是插座，以及連接線是否能夠處理較高的電量。

　　現(xiàn)在，市場上已出現(xiàn)只采用Type-C 連接埠的智慧型手機(jī)、平板電腦和筆記型電腦，而這些先驅(qū)裝置只是一個(gè)開端。盡管如此，Type-C還需要嵌入式裝置和韌體來處理大量功能，因而也為開發(fā)人員和制造商在移轉(zhuǎn)裝置時(shí)帶來龐大壓力，而Silicon Labs擁有參考設(shè)計(jì)、程式庫、韌體以及支援團(tuán)隊(duì)，便可專門協(xié)助簡化Type-C在廣泛應(yīng)用中的需求。