Type-C电子标记线缆的设计

　　本文探讨了USB Type-C和Power Delivery(简称PD)新的设计规格，并解释与设计Type-C电子标记线缆有关的方方面面。

　　USB Type-C是最新发布的USB线缆。它是一个简单但却强大的互连标准，旨在增强现有的USB 3.1标准，并解决传统USB存在的一些主要问题，其中包括：

　　● 固定的插入方向-传统USB线缆必须正向插入。

　　● 固定的线缆方向-Type-A连接器必须连接上游设备，Type-B连接器必须连接下游设备。

　　● 较大的连接器尺寸-妨碍超薄工业设计的实现

　　图1 USB Type-C：未来的连接器

　　USB Type-C借助以下增强特性解决上述所有问题：

　　● 可逆的插入方向：通过单线方向检测从而允许线缆正反插。Type-C不会插错。

　　● 可逆的线缆方向- 线缆两端的USB Type-C连接器完全相同，因此具备无方向性特点。

　　● 插头高度仅为2.4mm，可打造超薄工业设计，实现更高的封装灵活性。

　　此外，USB Type-C还能轻松实现高达100W的低成本供电功能。

　　图2 USB供电

　　USB正从一种能够提供有限电能的数据接口演变为既可以做电源主要提供者同时也可以用作通用数据接口功能。USB供电已从USB 2.0(5V，500 mA)发展到USB 3.0(5V，900 mA)，再到电池充电(BC) v1.2(5V, 1.5A)，为更多日常设备提供电能。新的USB Type-C规范通过将能电流上限提至3.0Amps，将USB功率升至15W。USB供电(USB-PD)是一个全新规范，旨在通过一条线缆实现更加灵活的供电(最高 100W，20V，5A)和数据传输功能。其目的是允许对笔记本电脑、平板电脑和USB供电型硬盘以及类似高功率消费电子设备进行充电。某些市场制订了基于USB接口的国内手机充电标准，其中包括欧盟和中国。这两个规范可提升手机以外设备的标准化水平。

　　图3 USB Type-C可减少线缆缠绕，并提高易用性

　　跑在 Type-C上的 USB-PD增加了一个通过Type-C信号的边带通信信道，即配置信道(CC)。CC导线既用于USB Type-C VBUS 电力级通知，也用于USB-PD协商与控制。USB-PD使用PD消息完成四个目的，包括：

　　1)数据包起点(SOP)枚举。

　　2)VBUS 电压与电流协商。

　　3)角色协商，三个类型的角色协商也通过USB-PD消息完成，它们包括USB数据、VBUS 电力和VCONN 电力。

　　4)Alternate Mode枚举、协商与管理也通过USB-PD消息完成。

　　Type-C 集电力、数据和视频于一条线缆中

　　图4 通过Type-C传输电力、数据和视频

　　Type-C接口包括：

　　● 支持DisplayPort、PCIe等alternate mode的两组Superspeed USB线路(RX1/TX1和RX2/TX2);

　　● 用于Alternate Mode的两条Sideband Use(SBU)线路;

　　● 用于Hi-Speed USB 2.0的Dp和Dn线路;

　　● 用于总线供电的VBUS线路;

　　● 用于为线缆控制器供电的VCONN 线路(只位于Type-C插头接口上);

　　● 用于PD通信的配置信道(CC)。

　　插头的翻转问题

　　Type-C插座可处理线缆插头的任意方向。USB Type-C插座完全对称。所有的供电、接地和信号引脚两边对称，从而让USB Type-C插头能够在Type-C接口中任意翻转。

　　图5 Type-C可正反插

　　翻转Type-C插头时(如图5所示)：

　　● GND、USB 2.0和VBUS 信号保持连接。USB 2.0信号被复制到Type-C插座的上下两层，以保持任意方向的连接。

　　● 插头上的VCONN 或CC引脚可以连接插座中的任意一个配置信道引脚-CC1或CC2 (取决于插入方向)。

　　● 两条Superspeed线路的其中一条保持正确连接，USB Type-C 插座必须使用SuperSpeed mux合理地进行连接。

　　如何检测插头方向

　　USB Type-C规范解释了上行面端口(UFP)如何利用CC引脚CC1和CC2上的下拉电阻(Rd)申报成为一个外设。下行面端口(DFP)需要在CC1和CC2上配备上拉电阻(Rp)。所构成的电阻分压器用于确定Type-C外设是连接还是分离状态;以及Type-C插头的方向，因为线缆中只连接了一个CC引脚 (如图6所示)。

　　DFP， 尤其扮演USB 数据主机的DFP，通常是指PC等主机上的端口或者设备连接的集线器上的下行端口。在其初始状态，DFP为VBUS 和VCONN供电。UFP是指设备上的端口或者连接DFP的集线器上的上行端口。

　　Type-C电子标记线缆组件(EMCA)需要使用VCONN 向线缆内部的标记电子元件供电。这些EMCA在Type-C 插头的VCONN 引脚上配有Ra终结电阻器。没有电子标记的Type-C线缆不含电子元件，因此不需要VCONN 供电。这些非EMCA线缆 中的 VCONN 引脚没有固定在Type-C插头。

　　图6 Type-C连接/方向检测

　　Type-C插座CC引脚上的Rp和Rd终结电阻器能够检测连接事件，并识别插座中Type-C 插头的方向。 DFP和UFP监测Type-C插座中两个CC引脚的电压相对于无端接电压的电压变化，以此监测连接事件。UFP还监测VBUS ，是检测DFP连接的另一个指标。DFP和UFP都能从各自连接端识别Type-C插头方向，这是因为线缆中只连接了一个CC引脚。确定连接和方向后，如果检测到 一个Ra 终结电阻器，DFP将把另一个CC引脚更改为VCONN，以便向 USB Type-C EMCA插头中的电子元件供电。

　　Type-C电力传输

　　USB Type-C规范允许通过VBUS和接地信号，从DFP 到UFP最多可以传递15W电能。当使用 “纯Type-C”解决方案时，只能使用5V电压传送这15W电能。如果 您为“纯Type-C”系统增加了USB PD规范，您就创建了一个“Type-C PD”系统，可将VBUS电压提至5V以上，最高提至20V，并将VBUS电流最大升至5A。在“纯Type-C”系统中，由DFP和UFP分别供电的Rp和Rd电阻器构成的分压器决定了VBUS电源的电流上限。UFP必须检测这个Rp/Rd 电压分压器电压，并用它来决定从VBUS电源获得的最大电流。这个Rp/Rd 电压分压器电压不是静态的;随着充电生态系统的环境变量不断改变，DFP可以动态改变其电流上限。UFP必须始终监测这个电压，并遵守DFP指示的新的VBUS电流上限。

　　纯Type-C”解决方案的这个行为-即“DFP指示，UFP遵守”的行为-揭示了“纯Type-C”系统的一个弱点。 “纯Type-C”系统中不存在协商，而Type-C PD系统可双向协商VBUS 电压和电流。通过向一个“纯Type-C”系统增添USB-PD，从而创建一个“Type-C PD”系统，您就能够为VBUS功率协商提供必要的灵活性。

　　实现USB-PD时，CC导线上承载的USB-PD双相标记编码(BMC)用于实现USB Type-C端口之间的USB-PD通信。图7显示了USB-PD控制器如何连接CC导线，并向其引入BMC信令。图中只显示了一条CC线路(通过线缆连接的线路)。

　　图7 USB PD over Type-C

　　标记芯片如何以电子方式标记线缆组件

　　一个电子标记线缆组件(EMCA)就是一条USB Type-C线缆，它使用标记芯片向DFP提供线缆的特性。线缆标记是通过将一个USB PD控制器芯片嵌入到线缆的一端或两端实现的 。这些标记芯片由VCONN 供电(或VBUS 供电，取决于具体设计)。VCONN是一个工作于2.7V和5.5V之间的低压轨，但功率被限制在1W。 VBUS 可以是一个高达20V的高压轨。虽然由VBUS 供电的标记芯片具备更大功率的优势，但电压较高的标记芯片也更贵。因此，大多数标记芯片由VCONN供电。

某些EMCA在其中一个桨片卡上配备一个标记芯片，另一些则在两个桨片卡上分别配备一个标记芯片。如果使用了一个标记芯片，则必须在连接两个桨片卡的线缆中增加一根VCONN 导线。此外，必须在桨片卡上进行隔离，以防止两个VCONN同时由电压驱动，在VCONN 导线上发生冲突。设计一个或两个标记芯片的决定应考虑以下成本和收益：

　　● 如果线缆是一条光缆，两个桨片卡之间没有铜线，您必须将两个标记芯片设计到线缆中。这样，无论插入DFP中的是哪一端，DFP都可以与线缆通信。

　　● 如果增加一条与线缆同长的VCONN导线以及增加一个用于安全整合两条VCONN导线的隔离电路的总成本高于增加两个标记芯片的成本，您应该考虑增加两个标记芯片。

　　● 有时候，为了简化制造和库存，在线缆中配备两个相同的桨片卡要比配备两个不同的桨片卡更简单。

　　从DFP的角度而言，EMCA配备一个或两个标记芯片没有成本或收益问题。DFP以此只能为一个芯片供电，而且只与一个标记芯片通信。线缆控制器存储与线缆ID和能力有关的配置数据。这些特性包括：

　　● VBUS 导线的额定电流

　　● 线缆长度

　　● EMCA的类型：被动或主动

　　● 线缆两端连接器的类型：Type-C to Type-C、Type-C to Type-A等

　　● 线缆中控制器的数量: 一个或两个

　　● 信令类型： USB 2.0、USB 3.1 Gen 1或USB 3.1 Gen 2

　　● 厂商ID：用于标识EMCA制造商的16位ID

　　● 用于标识EMCA产品的16位ID

　　● 对Alternate Modes(如DisplayPort、PCIe)的支持

　　● 对厂商专有协议(如厂商专有的对接协议)的支持

　　DFP必须利用USB PD或 SOP* 枚举发现线缆的特性和UFP的功率要求。SOP是一个通配符ID，代表SOP、SOP’和SOP”。这些SOP ID可被视为Type-C多分支连接中的地址。SOP’代表距离DFP最近的EMCA标记芯片。SOP”代表距离DFP最远的EMCA标记芯片。SOP*枚举是建立PD联系的第一步，电子标记只能通过USB PD BMC实现。