本文探討了USB Type-C和Power Delivery(簡稱PD)新的設(shè)計規(guī)格，并解釋與設(shè)計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。它是一個簡單但卻強大的互連標(biāo)準(zhǔn)，旨在增強現(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)計的實現(xiàn)

圖1 USB Type-C：未來的連接器

USB Type-C借助以下增強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不會插錯。

● 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。

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

此外，USB Type-C還能輕松實現(xiàn)高達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)是一個全新規(guī)范，旨在通過一條線纜實現(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電子設(shè)備進行充電。某些市場制訂了基于USB接口的國內(nèi)手機充電標(biāo)準(zhǔn)，其中包括歐盟和中國。這兩個規(guī)范可提升手機以外設(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增加了一個通過Type-C信號的邊帶通信信道，即配置信道(CC)。CC導(dǎo)線既用于USB Type-C VBUS 電力級通知，也用于USB-PD協(xié)商與控制。USB-PD使用PD消息完成四個目的，包括：

1)數(shù)據(jù)包起點(SOP)枚舉。

2)VBUS 電壓與電流協(xié)商。

3)角色協(xié)商，三個類型的角色協(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插座完全對稱。所有的供電、接地和信號引腳兩邊對稱，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(如圖5所示)：

● GND、USB 2.0和VBUS 信號保持連接。USB 2.0信號被復(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)申報成為一個外設(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，因為線纜中只連接了一個CC引腳 (如圖6所示)。

DFP， 尤其扮演USB 數(shù)據(jù)主機的DFP，通常是指PC等主機上的端口或者設(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，并識別插座中Type-C 插頭的方向。 DFP和UFP監(jiān)測Type-C插座中兩個CC引腳的電壓相對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連接的另一個指標(biāo)。DFP和UFP都能從各自連接端識別Type-C插頭方向，這是因為線纜中只連接了一個CC引腳。確定連接和方向后，如果檢測到 一個Ra 終結(jié)電阻器，DFP將把另一個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，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，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“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可以動態(tài)改變其電流上限。UFP必須始終監(jiān)測這個電壓，并遵守DFP指示的新的VBUS電流上限。

純Type-C”解決方案的這個行為-即“DFP指示，UFP遵守”的行為-揭示了“純Type-C”系統(tǒng)的一個弱點。 “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“純Type-C”系統(tǒng)增添USB-PD，從而創(chuàng)建一個“Type-C PD”系統(tǒng)，您就能夠為VBUS功率協(xié)商提供必要的靈活性。

實現(xiàn)USB-PD時，CC導(dǎo)線上承載的USB-PD雙相標(biāo)記編碼(BMC)用于實現(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USB PD控制器芯片嵌入到線纜的一端或兩端實現(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)。VCONN是一個工作于2.7V和5.5V之間的低壓軌，但功率被限制在1W。 VBUS 可以是一個高達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在其中一個槳片卡上配備一個標(biāo)記芯片，另一些則在兩個槳片卡上分別配備一個標(biāo)記芯片。如果使用了一個標(biāo)記芯片，則必須在連接兩個槳片卡的線纜中增加一根VCONN 導(dǎo)線。此外，必須在槳片卡上進行隔離，以防止兩個VCONN同時由電壓驅(qū)動，在VCONN 導(dǎo)線上發(fā)生沖突。設(shè)計一個或兩個標(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，兩個槳片卡之間沒有銅線，您必須將兩個標(biāo)記芯片設(shè)計到線纜中。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標(biāo)記芯片的成本，您應(yīng)該考慮增加兩個標(biāo)記芯片。

● 有時候，為了簡化制造和庫存，在線纜中配備兩個相同的槳片卡要比配備兩個不同的槳片卡更簡單。

從DFP的角度而言，EMCA配備一個或兩個標(biāo)記芯片沒有成本或收益問題。DFP以此只能為一個芯片供電，而且只與一個標(biāo)記芯片通信。線纜控制器存儲與線纜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：被動或主動

● 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: 一個或兩個

● 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EMCA制造商的16位ID

● 用于標(biāo)識EMCA產(chǎn)品的16位ID

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

● 對廠商專有協(xié)議(如廠商專有的對接協(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實現(xiàn)。

何時需要 電子標(biāo)記?

出現(xiàn)以下任意情況時，Type-C線纜需要電子標(biāo)記：

● VBUS電流需要超過3A

● 需要USB 3.1 Gen2或10GHz USB

● 需要Alternate Mode

EMCA的類型

USB Type-C 中有兩種電子標(biāo)記線纜組件(EMCA)：即被動EMCA和主動EMCA。其中的主要區(qū)別是：主動EMCA為SuperSpeed USB提供信號調(diào)節(jié)功能，如轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和重定時器功能。

以下是每種配置的一些例子。

被動EMCA：不改變USB數(shù)據(jù)信號的EMCA就是被動EMCA，可采用兩種方式設(shè)計：配備或不配備貫穿整條線纜的VCONN 導(dǎo)線。

● 每個插頭配備一個線纜控制器的被動EMCA(即每條線纜配備兩個線纜控制器)。此時， VCONN 導(dǎo)線不需要貫穿整條線纜(如圖8所示)。

圖8 每個插頭配備一個線纜控制器的被動EMCA

● 被動EMCA ,每條線纜只配備一個線纜控制器。此時，VCONN 導(dǎo)線將貫穿整條線纜。需要使用隔離元件以便于從線纜的一端的引入VCONN用于向線纜控制器供電(如圖10所示)。

圖9 每條線纜配備一個線纜控制器的被動EMCA

主動EMCA：加了一些額外器件比如信號驅(qū)動芯片等用于調(diào)節(jié)USB數(shù)據(jù)信號的EMCA。這可以實現(xiàn)更長的線纜或光纜。

很多人認為被動EMCA就是不需要電能的線纜，但是實際情況并非如此。被動和主動EMCA都需要某種形式的電能來驅(qū)動標(biāo)記電路。

設(shè)計考量

本節(jié)探討設(shè)計EMCA時應(yīng)該考慮的USB Type-C規(guī)范中的不同功率要求。

通過USB Type-C線纜提供的VBUS 電能

對通過USB Type-C 線纜提供的VBUS 電能的最低要求與現(xiàn)有USB線纜相同。EMCA可以使用VBUS -而不是VCONN -來驅(qū)動線纜電路，因為VBUS 貫穿了整條線纜。配有PD的VBUS支持更高的電壓(最高20V)。因此，任何一條含有由VBUS 供電的電子元件的USB Type-C線纜都必須能夠承受20V電壓。

所有VBUS引腳必須在USB Type-C插頭中互連。 全功能線纜每一端的VBUS引腳需要一個10毫微法的旁路電容器(30V的最小額定電壓)。該旁路電容器應(yīng)盡量靠近電源墊。所有GND引腳必須在USB Type-C插頭中互連。

對VCONN的要求

VCONN的功能不同于VBUS，因為VCONN 與線纜另一端相互隔離。VCONN獨立于VBUS，而且與能夠使用USB PD支持更高電壓的VBUS 不同，VCONN 的固定為5V。表1顯示了所支持的VCONN 范圍，以及VCONN源應(yīng)滿足的其它功率要求。

表1 VCONN源的特性

為了降低VCONN上的功率 ，DFP可以在以下任意情況發(fā)生時關(guān)閉VCONN ：

在一個CC引腳上檢測到有效電壓后(Rd在該引腳上)，未在另一個CC引腳上檢測到Ra ;

完成線纜發(fā)現(xiàn)過程后，確定不再需要 VCONN ;

線纜發(fā)現(xiàn)消息未被線纜響應(yīng)

EMCA必須向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個最大DC阻抗。電容器允許出現(xiàn)±20% 的公差，以便通過EMCA標(biāo)記芯片中未經(jīng)調(diào)整的片上電容器得到實現(xiàn)。表2列出了對EMCA中VCONN引腳上接地層的阻抗值。

表2 EMCA終結(jié)要求

如果沒有VCONN，供電線纜不應(yīng)妨礙CC的正常工作，其中包括UFP檢測、電流宣稱和USB PD運行。表3列出了使用VCONN電能的線纜應(yīng)滿足的要求。

表3 VCONN特性

USB掛起模式下，電子標(biāo)記線纜從VCONN 獲取的電流不應(yīng)超過7.5mA。

被動EMCA(不含數(shù)據(jù)總線信號調(diào)節(jié)電路)從VCONN 獲取的功率不應(yīng)超過70 mW。

主動EMCA(含數(shù)據(jù)總線信號調(diào)節(jié)電路)從VCONN 獲取的功率不應(yīng)超過1W。

VCONN供電配件

VCONN供電配件是一個直接附著式UFP，它實現(xiàn)了Alternate Mode，而且能夠只使用VCONN進行工作。VCONN供電配件向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個最大阻抗。VCONN供電配件應(yīng)能在2.7V-5.5V VCONN電壓范圍內(nèi)工作。

其它設(shè)計考量

借助Type-C，一條線纜將具備多個功能，其中包括VBUS配電、USB數(shù)據(jù)和 alternate mode。alternate mode的一個常見例子是在一個或兩個USB SuperSpeed 線路上傳輸?shù)腄isplayPort。電力、數(shù)據(jù)和圖像的這種三合一打造了一個高電力、單線纜、超薄、易用的對接解決方案。為了使這條Type-C線纜同時支持Type-C和USB-PD功能，我們還需要采用其它技術(shù)。由于并非所有線纜都具備相同的能力或性能，需要一項USB-IF認證來表明某條線纜滿足規(guī)范中的所有要求。谷歌、亞馬遜等公司已公開表明，USB Type-C線纜必須通過認證，任何未經(jīng)認證的線纜都會給DFP和UFP帶來安全風(fēng)險。 在發(fā)起任何USB-PD供電確認之前，DFP將通過SOP*枚舉來確認線纜是否獲得了USB-IF認證。

與OEM線纜成品必須通過認證一樣，Type-C線纜中的標(biāo)記芯片也必須通過認證。賽普拉斯半導(dǎo)體公司的CCG2 EZ-PD PD控制器是市場上在首個認證測試日中首款通過認證的標(biāo)記芯片。

賽普拉斯CCG2 EZ-PD標(biāo)記芯片的可編程性可讓用戶輕松編程線纜特性。因為現(xiàn)在不同的線纜中的標(biāo)記芯片內(nèi)都植入了不同的廠商自定義信息，這一點變得越來越重要。此外，當(dāng)最終用戶的要求或參數(shù)發(fā)生變更時，或當(dāng)USB-IF修改USB Type-C或USB-PD規(guī)范時，這個特性也是必不可少的。用戶可以使用賽普拉斯的CC引導(dǎo)裝載程序技術(shù)，輕松地將這些變更重新編程到線纜成品中。

對EMCA應(yīng)用中的線纜控制器的主要應(yīng)用級要求包括：

● 支持最新PD規(guī)范中定義的USB-PD協(xié)議;

● 支持BMC編碼的物理層;

● 支持VCONN導(dǎo)線上內(nèi)置的Ra電阻器;

● 能夠使用VCONN電源向芯片供電;

● 支持用于實現(xiàn)每條線纜只配備一個線纜控制器的被動EMCA的內(nèi)置隔離元件(圖10);

● 支持通過斷開Ra電阻器達到節(jié)能目的;

● 支持CC 和VCONN 引腳上內(nèi)置的系統(tǒng)級防護;

● 支持引導(dǎo)裝載程序，以便隨著USB Type-C和USB PD的演進，支持通過CC進行固件升級。

每條線纜配備一個CCG2的被動EMCA

在這種EMCA架構(gòu)中，其中一個插頭中包含一個CCG2標(biāo)記芯片。這種方法要求一條VCONN 導(dǎo)線貫穿整條線纜，這樣一來，無論哪一頭連接主機(DFP)，芯片都能獲得供電。所需的隔離元件內(nèi)置于CCG2中。有關(guān)這種方法和其它方法的詳情，請參閱：設(shè)計USB 3.1 Type-C線纜。

圖10 每條線纜配備一個CCG2的被動EMCA解決方案

圖10描述的是配備CCG2的被動EMCA，這種EMCA架構(gòu)包含兩個CCG2，一個插頭包含一個。VCONN信號不貫穿整條線纜，而是終結(jié)于每個插頭的CCG2。

圖11 每個線纜插頭配備一個CCG2的被動EMCA解決方案

圖11描述的是配備CCG2的被動EMCA ，該EMCA支持PD。在線纜的兩端各嵌入一個CCG2，分別由兩端的USB Type-C端口供電。第二個CCG2的存在，使得VCONN不需要貫穿整個線纜。

每條線纜配備一個CCG2的主動EMCA

主動EMCA的主要功能是通過在數(shù)據(jù)路徑上添加一個信號驅(qū)動器提供信號調(diào)節(jié)功能。主動EMCA如需要配置/信號調(diào)節(jié)功能，可使用USB Power Delivery廠商自定義消息來尋找和枚舉線纜屬性。該方案需要從 VCONN電源獲取連續(xù)電能，因此DFP不能關(guān)閉線纜的VCONN 供電。

圖 12 每條線纜配備一個CCG2的主動EMCA解決方案

圖12描述的是配備CCG2的主動EMCA，其內(nèi)嵌一個用于延長線纜長度的再驅(qū)動。

“設(shè)計USB 3.1 Type-C線纜”詳細闡述了制造商如何使用CCG2輕松設(shè)計被動電子標(biāo)記線纜組件(EMCA)。“硬件設(shè)計指南”提供EZ-PD? CCG2的硬件設(shè)計和PCB版圖指南。這些指南有助確保最佳的信號完整性，以及對USB Power Delivery和Type-C規(guī)范的全面遵從。賽普拉斯擁有一個廣泛的Type-C控制器產(chǎn)品組合(從單Type-C端口控制器EZ-PD? CCG1、EZ-PD? CCG2、EZ-PD? 和CCG3到雙端口控制器EZ-PD? CCG4)，此外還提供產(chǎn)品手冊、開發(fā)套件、應(yīng)用說明、軟件下載、示例項目、演示視頻等有用工具。