USB Type C规范详解

USB Type C规范详解

目前USB Type C接口应用非常广泛，可以传输DP，USB，PCIE，音频等信号，已经不是纯粹的用来传输USB信号了，即USB Type C摆脱了和USB的从属关系，自己当家作主了。下面来介绍下USB Type C里面比较重要的点。

协议来源

USB官方网站上可以下载到最新的协议《USB Type-C Specification Release 1.4.pdf》，最新的为2019年4月3日。文末也会共享出来。

该协议主要内容是：定义USB Type C的插头，插座，和线缆

USB Type-C的Vbus的电流的检测与使用

使用USB Type-C的源(主机或下游集线器端口)可以在vbus上实现更高的源电流，以便能够更快地充电需要比USB3.2规范中指定的更多电流的移动设备或供电设备。所有USB主机和集线器端口都通过CC引脚来设置当前可用的电流水平。

USB PD各个模式供电能力如下表：

USB Type-C接口

Type-c接口有公头和母座，如下图：

Power有关的信号    

VBUS，USB线缆的bus power（和我们通常意义上VBUS保持一致），电源和GND都有4根线，这就是为什么能支持到100W的原因。      

VCONN（只有在插头上才会有该信号），当线缆里有芯片的时候，用来给线缆里的芯片供电（3.3V或5V）。      

USB 2.0数据线，D+/D-。它们在插头端只有一对，和旧的USB 2.0规范一致。但为了支持正反随意插。在插座端定义了两组，这样插座端可以根据实际情况进行合适的mapping。

USB3.1/USB3.2数据线，TX+/-和RX+/-，用于高速的数据传输。插头和插座端都有两组，用于支持正反随意插。

Configuration的信号，对插头来说，只有一个CC，另外一个伪VCONN，对插座来说，有两个CC1和CC2。

SUB信号，用于USB拓展功能，可用于模拟音频。

USB Type-C电缆

如下表，USB2.0规范的电缆长度小于4米，USB3.2 Gen1的长度小于2米，USB3.2Gen2的电缆长度小于1米。

全功能USB Type-C电缆信号说明

上图是标准的USB Type-C的电缆，高速信号差分对SDP都采用同轴线，信号地回流是通过屏蔽GND。

USB2.0/USB3.1/USB3.2线缆说明

如下图，如果type-c线缆仅仅用作USB功能，那么其实有很多信号线是不需要的，只需要以下信号即可（USB3.2 Gen2x2除外）。USB2.0需要更少的线，其5-10信号是不需要的。

线缆的粗细线号

规范不指定金属丝规。更粗的线造成较少的损失，但代价是电缆直径和灵活性。多根电线可用于一条单线，如Vbus或地。建议使用最小的线号，以满足电缆组装、电气和机械的要求。为了最大限度地提高电缆的灵活性，电缆的外径应该尽可能的减小。一个典型的USB全功能型Type-C型电缆外径可从4mm至6mm，而一个典型的USB2.0型Type-C电缆外径可从2mm至4mm。一个典型的USB Type-C的USB3.1电缆外径可以从3mm到5mm。

线号参考如下表：

阻抗控制

SDP屏蔽差分线的阻抗控制在90Ω±5Ω，单端同轴线控制在45Ω±3Ω。阻抗应该用200 ps(10%-90%)的上升时间来评估。

电源VBUS和GND

如下图，电源的压降要小于500mV，Gnd上面的压降要小于250mV

配置通道（CC）详解

配置通道CC的用途如下：

检测USB设备是否接入；

检测USB插入方向，并以此建立USB 数据通道的路由；

插入后帮助建立USB设备角色（谁为HOST，谁为Device）；

发现并配置VUBS，配置USB PD供电模式；

配置Vconn；

发现和配置可选的备用和辅助模式；

名词解释

在USB2.0端口，USB根据数据传输的方向定义了HOST/Device/OTG三种角色，其中OTG即可作为HOST，也可作为Device，在Type-C中，也有类似的定义。

DFP(Downstream Facing Port)：下行端口，可以理解为Host或者是HUB，DFP提供VBUS、VCONN，可以接收数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输，笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。

UFP（Upstream Facing Port）：上行端口，可以理解为Device，UFP从VBUS中取电，并可提供数据。典型设备是U盘，移动硬盘。

DRP（Dual Role Port）：双角色端口，类似于以前的OTG，DRP既可以做DFP(Host)，也可以做UFP(Device)，也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。设备刚连接时作为哪一种角色，由端口的Power Role（参考后面的介绍）决定；后续也可以通过switch过程更改（如果支持USB PD协议的话）。

USB PORT的供电（或者受电）情况，USB Type-C将port划分为Source、Sink。

Source：通过VBUS或者VCONN供电。

Sink：通过VBUS或者VCONN接受供电。

DRP(Dual-Role-Power)：既可以作为Source，也可以作为Sink。到底作为Source还是Sink，由设备连接后的配置决定。

Source和Sink的连接过程

Source和Sink的通用USB情况下，配置接口的典型流程如下：

首先，检测端口之间的有效连接（包括确定电缆方向、源/接收器和DFP/UFP关系）。

其次检测电缆的能力。

再次接通USB供电（协商USB电力传输，选择供电模式，电池充电等）。

最后进行USB枚举。

Source to Sink的连接检测

如下图，Source端是上拉电阻，Rp，Sink端接下拉电阻Rd

在未对接时，Source检测到CC管脚都为高电平，Sink端检测到CC管脚都未低电平。对接后，形成分压，电平为中间值。Rp的阻值能表明Source能够提供的功率水平。

源端CC1，CC2模型

如上图

Source端使用一个MOS管去控制Vbus，初始状态下，FET为关闭状态，Vbus不通。

Source端CC1/CC2均上拉至高电平，同时检测是否有Sink插入，当不论哪一个管脚检测到有Rd下拉电阻时，说明Sink被检测到。Rp的阻值表明Host能够提供的功率水平。

Source端根据Cable中哪一个CC引脚为Rd下拉，去建立正确的USB高速数据路由，同时决定另外一个CC引脚提供VCONN

当检查到Sink接入后，Source使能Vbus和Vconn。

Source可以动态调整Rp的值，告知Sink端的电流提供能力发生变化，告知SINK最大可以使用的电流

Source会持续检测Rd，检测到拔出事件后会断开连接，Vbus和Vconn都会断开。

如果Source支持高级功能（PD或者Alternate Mode），会通过USB PD协议进行沟通实现。

Sink端CC1，CC2模型

如上图

SINK的两个CC引脚均通道Rd下拉到GND。

SINK通过检测电源VBUS是否存在，来判断Source的连接与否。

SINK通过CC引脚上拉的特性，来检测目前的USB高速数据链路。

SINK可选地去检测Rp的值，去判断Source可提供的电流。同时管理自身的功耗，保证不超过Source提供的最大范围。

同样的，如果支持高级功能，通过CC引脚进行USB PD协议进行沟通实现。

DRP的CC1，CC2模型

DRP模式（双向供电）如上图：

DRP使用MOS管来启用/禁用Vbus的电源传递，并且在开始时禁用Vbus。

DRP使用开关来决定自身是Source端还是Sink端。

DRP在Source和Sink之间的切换：在建立特定的稳定状态之前，DRP在将自己在Source和Sink之间交替进行，根据协议最终会确认是Source还是Sink。当DRP最终确定为Source端时，它遵循Source端操作协议来检测Sink端是否接入。如果检测到Sink端，则提供Vbus、Vconn，并继续作为Source运行。反之，当DRP最终确定为Sink端时，它监视Vbus以检测它是否连接到一个Source，如果检测到连接到Source，它将继续作为Sink运行。

Source to  Sink工作过程

工作过程如上图：

刚开始Source和Sink均处于未连接状态；

Source和Sink物理连接后，Source探测到CC的下拉电阻Rd信号，打开电源Vbus和Vconn；

然后Sink端会探测到Vbus，进入到连接状态。

当Source和Sink处于持续状态，Source会根据需要改变Rp来设置最大电流输出能力。Sink会检测Rd上面的电压来获取能从Vbus上获得的最大电流值。Source会监测CC管脚来判定Sink是否被移出。Sink会监测Vbus是否存在来判定是否和Source断开。

电流能力与Rd上电压vRd的关系如下表：

USB供电能力有三种，USB2.0，USB3.2单通道，USB3.2双通道

除了Source to sink，当Source连接到DRP，DRP端会自适应为Sink端。

当Sink连接到DRP，DRP端会自适应为Source端。

Source连接到Source，Sink连接到Sink，都是不会成功的。

USB Power Delivery

USB Power Delivery电力传输是Type-C接口的特征之一。当需要USB PD电力传输时，使用Bi-phase Mark Coded（BMC）编码协议，通过CC管脚进行通信。

CC的通信图如下：

CC上面的BMC信号如下图：

供电和充电

任何USB Type-c端口提供超过默认电流和/或支持USBPower Delivery传送应满足要求，就像它是一个充电器。

电源(如电池充电器、集线器、下游端口和主机)均可用于电池充电。充电器使用USB Type-C接口或USB Type-C电缆实现时，应遵循以下要求：

电源应使用USB Type-C current方法公开其功率能力，并可额外支持其他USB标准（USB BC 1.2或USB PD）

如果电源能够提供大于默认的VBUS的电压，则应完全符合USB PD规范，并应仅使用USB PD协商其电源供电。

如果电源能够提供大于3.0A的电流，则应使用US PD规范来确定电缆的载流能力。

Type  C接口的充电器，只有当它检测到一个接收器被连接时，才能将电源VBUS接通，并且当它检测到Sink端被分离时，应该从VBUS上移除电源。

电子标记的线缆

所有USB全功能Type-C型电缆应电子标记。 eMarker是电子标记电缆中的元素，该电缆响应USB PD发出的标识命令返回有关电缆的信息（如电缆的电流承载能力、性能、厂商标识，支持的sstx/ssrx通道数等）。

电子标记的电缆本身用电一般来自于Vconn，Vbus也有可能被用到。

一种典型的电子标记电缆如上图。隔离元件(Iso)应防止Vconn通过电缆的端到端Ra电阻的作用是高速Source端，本电缆需要用到Vconn。

VPAs和VPDs

VPAs：VCONN-Powered Accessories--Vconn驱动的附件

VPDs：VCONN-Powered USB Devices--Vconn驱动的USB设备

VPAs和VPDs都是直接连接的sink，只需Vconn即可操作。两者都在Vconn上接有电阻Ra，在CC上接有电阻Rd。通过判断Vconn是否被移除，并以此来判断设备是否断开连接（在Vbus没有的时候）。

如果VCONN供电配件希望提供充电功能，则必须通过在主机和充电端口上独立协商电压和电流来实现，并且可能在将Source端电压传输到Sink之前重新调节电压。 Sink能够获取VPAs通告给它的可承载电流。

电阻值设置

各电流值对应的Rp的值如下表：

Rp都是5.1K电阻下地，电源供电能力的检测与否与电阻精度相关

Ra的值的大小范围为：800Ω-1.2K

相关电压范围

在Sink与Source连接后，因为Rp与Rd分压的原因，Sink端的CC的电压范围如下表：

功能扩展

USB Type-C的牛逼之处就在于其功能扩展，即它不仅仅在只是用来传输USB信号了，可以拓展用于其它功能。

USB Type-C协议里面，拓展功能称之为Alternate Mode，如何进入Alternate Mode呢。有很多种功能，比如4 lane DP，DP 2lane+USB3.0，自然得在一开始就通过协议来沟通告知进入哪一种模式。

那么是如何沟通的呢？还是通过CC管脚，通过PD协议来完成。

模拟音频模式

3.5mm音频接口可以转Type-C端口，USB2.0数据通道传输模拟音频信号，音频右声道接DP，音频左通道接DN，MIC信号则连接在SBU引脚上，在这个模式当中，电源可以提供到500mA电流。

如何工作在音频模式呢？

通过将CC引脚和VCON短接接，并且下拉电阻小于Ra/2(根据上文，Ra最小为800Ω，则小于400ohm)，或者分别对地，下拉电阻小于Ra(小于800ohm)，则Host会识别为音频模式。