一文解析USB Type-C扩展坞参考设计

USB 3.1 Type-C旨在彻底改变连接性。为了说明此新标准的功能并显示工程师使用Type-C标准构建系统时需要了解的内容，这个由两部分组成的迷你系列将探索具有DisplayPort连接性的简单Type-C充电座的设计。

扩展坞

扩展坞也被称为通用端口复制器，使用户能够将具有有限USB和视频接口的 笔记本电脑转换为台式机 ，该 台式机具有用于办公室或家庭的多种应用程序的接口。典型的用例是将笔记本电脑连接到扩展坞，以使用全尺寸显示器，全尺寸键盘，优质扬声器和办公室 打印机。

笔记本电脑供应商和其他供应商提供了不同类型的扩展坞。扩展坞通常由第三方制造商制造，以补充更流行的笔记本电脑型号。但是，随着这些设备市场的增长，越来越多的笔记本电脑制造商也提供它们。通过笔记本电脑本身或通过扩展坞随附的电源向这些设备供电。

冷，热和待机对接/对接

术语“坞站”是指将便携式计算机连接到坞站的过程。术语“卸载”是指将便携式计算机与扩展坞断开连接的过程。

如果是“冷”扩展坞/扩展坞，则用户在扩展坞/扩展坞之前会完全关闭计算机。相比之下，在“热”对接/断开连接的情况下，计算机在对接/断开连接时仍保持运行状态。待机对接/对接是某些设计中使用的一种中间样式，它允许计算机在开机时被对接/对接，但需要在对接/对接之前将其置于睡眠模式。热扩展坞/扩展坞正在变得越来越流行，并且如今已被广泛使用。

系泊船坞

扩展坞的最初想法是将台式计算机的更大扩展功能与便携式计算机的便携性相结合。当不再需要连接到扩展坞的外围设备或用户需要移动时，他们可以将笔记本电脑从扩展坞上卸下并携带笔记本电脑移动。由于同样的原因，传统的扩展坞并非设计为便携式的。

笔记本电脑用户通常会感到沮丧，因为他们想升级笔记本电脑，但又不想购买另一个扩展坞。使用系留式坞站，这成为可能。

使用系留式扩展坞，无需将笔记本电脑插入机架中，只需一根USB电缆即可。当用户返回办公桌时，他们所需要做的就是将那根USB电缆插入笔记本电脑。然后，笔记本电脑将可以访问广泛的USB设备生态系统，包括全尺寸键盘，垂直鼠标，USB外部硬盘驱动器，USB DVD驱动器，USB麦克风，USB扬声器，打印机，扫描仪，USB以太网或Wi-Fi加密狗，USB连接到智能手机或平板电脑等。用户甚至可以将分层的扩展坞或集线器与在扩展扩展坞下方连接的另一个扩展坞/集线器相连，以扩展端口数量。

USB Type-C坞站

USB Type-C是新引入的互连标准，功能强大且易于使用和设计。它是对现有USB 3.1互连的增强，可以轻松实现高达100 W的低成本功率传输。从外形尺寸来看，USB Type-C连接器结合了多种较早的USB连接器类型-Micro-B，Type- A和Type-B —仅在高度仅为2.4毫米的可逆连接器中。

USB Type-C：未来的连接器（来源：赛普拉斯半导体）

Type-C标准还允许开发人员在一根电缆中组合多个协议，包括DisplayPort，PCIe和Thunderbolt。带宽是USB 3.0的两倍，通过SuperSpeed + USB 3.1可以提高到10Gbps。所有这些功能使使用USB的应用程序范围更广（有关更多详细信息，请参见《USB Type-C 视频简介和 Type-C基础》）。 

USB Type-C扩展坞参考设计

典型的扩展坞实现可实现上游端口上的USB Type-C主机系统与下游端口上的多个显示/数据设备之间的连接。扩展坞通常在上游端口上具有USB Type-C插座，以支持数据，电源和显示。在下游端口上，扩展坞可以支持多个接口，包括：

• USB 3.0 Type-C（显示+电源+数据）
• USB 3.0 Type-A
• USB 2.0 A型
• HDMI接口
• 千兆以太网

USB Type-C扩展坞设计可以由外部DC电源适配器供电（即自供电），也可以由Type-C（PD）主机供电（即总线供电）。下图显示了典型的USB Type-C扩展坞设计的框图。

USB Type-C / PD扩展坞参考设计（来源：赛普拉斯半导体）

扩展坞使用外部直流电源适配器为扩展坞及其外围设备供电。它具有一个Type-C上游端口（可充当电源或接收器的双重角色端口），该端口连接到Type-C笔记本电脑或平板电脑。在下游，它支持各种端口，包括：

• C型（仅源端口）DFP（面向下游的端口）
• 显示端口
• HDMI端口
• 多个USB 3.0端口
• 多个USB 2.0端口
• 以太网（RJ45）接口
• 音频接口

C型/ PD控制器有助于为每个C型端口（上游或下游）建立正确的供电合同。依次控制适当的电源管理IC。USB Type-C规范还允许开发人员将DisplayPort（DP）与USB Superspeed（SS）信号结合在一起。Superspeed MUX在Type-C / PD控制器的控制下路由适当的信号（SS或DP）。DisplayPort到HDMI转换器对于将DisplayPort信号转换为HDMI信号至关重要。DisplayPort分配器或开关可用于启用多个视频接口，例如HDMI / VGA和DisplayPort。要扩展USB端口，可以在Superspeed集线器下部署更多分层的集线器。

下图显示了基于赛普拉斯EZ-PD扩展坞的扩展坞参考设计的框图。详细的参考设计通常包括完整的BOM表，原理图文件和软件开发套件（SDK），以加快设计和开发周期。

基于赛普拉斯EZ-PD扩展坞的详细扩展坞参考设计（来源：赛普拉斯半导体）

这种设计反映了一个自供电的扩展坞，该扩展坞能够为上游和下游端口供电，同时还提供显示和USB功能。它包含以下端口，这在典型的C型扩展坞设计中可能是预期的：

• 上游Type-C端口能够为HDMI提供电源，USB 3.1 Gen 1（5 Gbps）数据接收器和DisplayPort接收器功能
• 下游Type-C端口能够提供电源USB 3.1 Gen 1（5 Gbps）数据源和DisplayPort源功能
• HDMI端口用于显示输出
• 三个USB 3.0旧式Type-A连接器
• 两个USB高速下行端口（旧式A型连接器）
• RJ45端口提供以太网连接

芯片间通信

在典型的Type-C PD坞站设计中，Type-C PD端口控制器实现了Power Delivery（PD）规范，并且还基于PD协议控制电源管理控制器（PMIC）和Superspeed Mux。上面描述的参考设计中的Type-C PD端口控制器还提供完整的USB Type-C和USB供电以及显示端口备用模式支持。它使用I2C作为芯片间通信协议，并且Type-C PD端口控制器充当与PMIC和MUX进行通信的I2C主设备。

I2C主控制（来源：赛普拉斯半导体）

现场固件升级

由于USB Type-C / PD规范的不断发展的性质（以及便于进行错误修复），支持一种用户友好的方式来升级现场各个扩展坞组件的固件（即在系统安装完成后）是至关重要的。已发货）。由于通常会有来自不同供应商的多个扩展坞组件，因此支持的固件升级方法将有所不同。必须以不同的方式升级几个芯片的固件将给用户带来极大的不便和沮丧，并可能导致不良的产品退货。

坞站制造商正在通过简化固件升级来解决固件升级问题，只需单击或点击即可。这种简单性带来了自身的风险和漏洞。固件升级的安全保护是一个常见的研究课题，并且由于嵌入式系统的连接性不断提高，其重要性也越来越重要。

编辑：hfy