硬件电路设计之TPYE-C电路设计

描述

1 简介

USB的发展历史比较悠久,现在我们常见的USB的接口有USB-A、USB-B、USB-C。

  • USB-A :常用在电脑鼠标、电脑键盘、U盘、移动硬盘等,USB接口可以分为USB2.0和USB3.0。
  • USB-B :常用在大型设备中,最为常见的打印机设备、数据存储和采集、视频传输、游戏硬件接口设备。这种接口的最大特点是坚固耐用,一般情况下,显示器外接Type-A的接口,另外乙酸用Type-B最为合适。
  • USB-C :目前应用最多、最广泛的接口为Type-C接口,常见于手机、平板等。

2 TPYE-C连接器

TYPE-C的尺寸为8.3mm x 2.5mm,且可以支持正反插。公头和母头的引脚信息分别如下:

电路设计

引脚的PIN序见下:

引脚名称引脚名称
A1GNDB12GND
A2SSTXP1B11SSRXP1
A3SSTXN1B10SSRXN1
A4VBUSB9VBUS
A5CC1B8SBU2
A6DP1B7DN2
A7DN1B6DP2
A8SBU1B5CC2
A9VBUSB4VBUS
A10SSRXN2B3SSTXN2
A11SSRXP2B2SSTXP2
A12GNDB1GND

TYPE-C有四组高速差分信号USB3.0,其PIN脚分别为A2、A3、B2、B3、A10、A11、B10、B11。其中A2、A3和A10、A11构成一组USB3.0信号;B2、B3和B10、B11构成一组USB3.0信号。由于TYPE-C支持正反插,所以会存在两组USB3.0差分信号。

TYPE-C有两组低速差分信号USB2.0,其PIN脚分别为A6、B6、A7、B7。其中A6、A7构成一组低速差分信号,B6、B7构成一组低速差分信号。

SBU1、SBU2是辅助信号;VBus、Vconn、GND是电源引脚。CC1、CC2是配置引脚,负责热拔插检测,供电协议信息传输。

3 CC引脚详解

3.1 CC引脚说明

TYPE-C有两个CC引脚,连接器端有两个CC引脚,但是插头或者线缆通常只有一个CC引脚。所以,两个TYPE-C连接器互联之后,只存在一个CC引脚连接。通过判断连接的为CC1还是CC2,可以判断连接的方向以及识别不同的插入设备。另外,CC引脚还可以作为VCONN供电。

  • DFP ——Downstream Facing Port,也就是 Host。
  • UFP ——Upstream Facing Port,也就是 Device。
  • DRP ——Dual Role port,既能支持供电/DFP 又能支持耗电/UFP 的一种端口。

其中,DRP角色可以在DFP和UFP之间切换,如果两个DRP设备建立连接,那么其角色会随机分配角色。

3.2 建立连接过程

建立过程 :SOURCE设备的CC引脚上拉至VCC,而SINK设备的CC引脚下拉至GND。建立连接后,会检测线材的供电能力。

电路设计

  • SOURCE设备

电路设计

  1. SOURCE设备的电源使用MOS管进行控制,MOS管的默认为断开的状态;
  2. SOURCE设备的CC1和CC2都被上拉至VCC,当有SOINK接入时,CC1和CC2的电平将被拉低,且上拉电阻值可以检测SOURCE设备能提供的最大功率。
  3. SOURCE设备根据识别CC1被拉低或者CC2被拉低,判定连接器的插入方向,同时将另外的CC引脚作为VCONN;
  4. SOURCE设备开始向SINK设备供电;
  5. SOURCE设备可以动态调整上拉电阻值,让SINK设备识别到最大可用电流。
  6. SOURCE设备会始终检测CC1或者CC2被断开(其中之一是否被下拉),断开连接则SOURCE设备会停止供电;
  7. SOURCE设备还支持数据通信。
  • SINK设备

电路设计

  1. SINK设备的CC1和CC2引脚均下拉至GND;
  2. SINK设备通过检测CC1或者CC2是否被上拉来判断是否有SOURCE设备连接;
  3. 通过检测连接的CC1还是CC2来识别插入的方向;
  4. SINK设备通过检测SOURCE设备上拉电阻值来判定其供电的能力;
  5. CC引脚支持数据通信。
  • DRP设备

电路设计

  1. 当对端接入SOURCE设备或者SINK设备时,DRP设备控制MOS管导通于关断实现VBUS开启与关闭;
  2. 通过Switch可以实现DPF设备在SOURCE设备和SINK设备之间切换;
  3. DRP有一套机制去决定自身是SINK或者是Source,去建立两者间彼此的角色。主要有下三种情形:
  • 随机为SOURCE设备或者SINK设备
  • 偏向于SOURCE设备,询问对方是否可为SINK设备;
  • 偏向于SINK设备,询问对方是否可为SOURCE设备。

4 硬件电路实战

  • 信号描述

该部分主要包含了两组USB3.0信号、一组USB2.0信号(正反插共用一组USB2.0信号)、供电引脚控制以及静电防护(注意TVS管的结电容)。

电路设计

  • CC控制

CC引脚通常使用专用的芯片去控制,此处使用的芯片是FUSB302BMPX。

电路设计

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