【原创】细谈Type-C、PD原理

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目录

一、Type-C简介以及历史

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

三、Type-C的Data/Power Role识别协商/Alt Mode

四、如何进行数据链路的切换

五、相关参数/名词解释

六、PD协议简介

七、行业相关信息

一、Type-C简介以及历史

        自1998年以来，USB发布至今，USB已经走过20个年头有余了。在这20年间，USB-IF组织发布N种接口状态，包括A口、B口、MINI-A、MINI-B、Micro-A、Micro-B等等接口形态，由于各家产品的喜好不同，不同产品使用不同类型的插座，因此悲剧来了，我们也要常备N中不明用途的接口转接线材。

图1   USB协议发布时间节点

        而对于Type-C来说，看起来USB标准化组织也是意识到统一和标准化问题，在定义标准时，除了硬件接口定义上，还增加了一部分“个性化”特点。分别是什么呢？

1.1 定义了全新的接口形态

        接口大小跟Micro USB相近，约为8.3mm x 2.5mm，支持正反插，同时也规范了对应的线材，接口定义如下（线材端只有一对USB2.0 DATA）：

在插座定义上，定义了如下两种插座：

a）全功能的Type-C插座，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。 

b）USB 2.0 Type-C插座，只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。

在插头定义上，定义了如下三种插头：

a）全功能的Type-C插头，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。 
b）USB 2.0 Type-C插头，只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。 
c）USB Type-C Power-Only插头，用在那些只需要供电设备上（如充电器）。

在线缆定义上，定义了如下三种线缆：

a）两端都是全功能Type-C插头的全功能Type-C线缆。 
b）两端都是USB 2.0 Type-C插头的USB 2.0 Type-C线缆。 
c）只有一端是Type-C插头（全功能Type-C插头或者USB 2.0 Type-C插头）的线缆。

还定义了N种为了兼容旧设备的线缆：

a）一种线缆，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Type-A插头。 
b）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Type-A插头。 
c）一种线缆，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Type-B插头。 
d）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Type-B插头。 
e）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Mini-B插头。 
f）一种线缆，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Micro-B插头。 
g）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Micro-B插头。 
h）一种适配器，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Type-A插座。 
i）一种适配器，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Micro-B插座。

以上这些线材，我们知道，Type-A接的是HOST，所以转接线中，CC引脚需要接上拉电阻。Type-B接的是Device，因此CC引脚需要接下拉电阻。

其中，具备全功能的Type-C应该具备E-Marker功能，由于具备E-Marker，线缆能够被读到其带电流的能力、特性、线材ID等等。E-Marker的供电电源来自于VCONN，如何知道线缆需要VCONN呢？线缆会通过下拉的电阻Ra，Source检测到之后会提供VCONN。

1.2传输速率，供电效能

       最大传输速度10Gb/s,即是USB 3.1 Gen2标准，也支持4 Lane DP模式，传输高清图像，在供电部分，最大可以支持100W（20V/5A）

1.3 “个性化”协商机制

      由于端口一致，线材两端接口也一直，为了能够区分两端USB设备的角色（Host/Device），必须有一套协商机制，便于进行角色确认，这部分通过CC(Configuration Channel)管脚进行设置。后面随着PD规范的面世，CC脚开始被用来做简单的半双工通信，用来完成POWER供给的协商

1.4 强悍的一统天下的态势

      由于Type-C的扩展功能（SBU1/SBU2），大部分配件诸如耳机、视频接口、Debug接口等等都可以实现兼容设计，成功逆袭以往所有的USB标准，成功上位！

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

2.1 Type-C的 Data Role

        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，只是名字有了些许修改。如下所示：

（1）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。

（2）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。

（3）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）。

2.2 Type-C的Power Role

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

如下图显示常用设备的Data Role和Power Role

Power Role 详细可以分为：

a）Source Only 

b）默认Source，但是偶尔能够通过PD SWAP切换为SINK模式

c）Sink Only

d）默认SINK，但是偶尔能够通过PD SWAP切换为Source模式

e）Source/SINK 轮换

 f）Sourcing Device （能供电的Device，显示器）

g）Sinking Host（吃电的Host，笔记本电脑）

三、Type-C的Data/Power Role识别协商/Alt Mode

     USB Type-C的插座中有两个CC脚，以下的角色检测，都是通过CC脚进行的，但是对于插头、或者线缆正常只有一个CC引脚，两个端口连接在一起之后，只存在一个CC引脚连接，通过检测哪一个CC有连接，就可以判断连接的方向。如果USB线缆中有需供电的器件，其中一个CC引脚将作为VCONN供电。

3.1 CC引脚有如下作用：

a）检测USB Type-C端口的插入，如Source接入到Sink

b）用于判断插入方向，翻转数据链路

c）在两个连接的Port之间，建立对应的Data Role

d）配置VBUS，通过下拉电阻判断规格，在PD协商中使用，为半双工模式

e）配置VCONN

 f）检测还有配置其他可选的配置模式，如耳机或者其他模式

3.2 连接方向、Data Role、Power Role角色检测

 3.2.1 SourceSink Connection

如图所示，Source端CC引脚为上拉，Sink端CC引脚为下拉。握手过程为接入后检测到有效连接（即一端为Host一端为Device），随后检测线材供电能力，再进行USB枚举。

如下图指示了Source端，在连接SINK之前，CC1和CC2的框图模型：

a）Source端使用一个MOSFET去控制电源，初始状态下，FET为关闭状态

b）Source端CC1/CC2均上拉至高电平，同时检测是否有Sink插入，当检测到有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。

c）Source端根据Cable中哪一个CC引脚为Rd下拉，去翻转USB的数据链路，同时决定另外一个CC引脚为VCONN

d）在此之后，Source打开VBUS，同时VCONN供电

e）Source可以动态调整Rp的值，去表示给Sink的电流发送变化，告知SINK最大可以使用的电流

 f）Source会持续检测Rd的存在，一旦连接断开，电源将会被关闭

g）如果Source支持高级功能（PD或者Alternate Mode），将通过CC引脚进行通信

    如下图指示了SINK端CC1和CC2框架：

a）SINK的两个CC引脚均通道Rd下拉到GND

b）SINK通过检测VBUS，来判断Source的连接与否

c）SINK通过CC引脚上拉的特性，来检测目前的USB通信链路（翻转）

d）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

e）同样的，如果支持高级功能，通过CC引脚进行通信。

如下图指示DRP的CC引脚在链接之前的架构：

a）当作为Source存在的时候，DRP使用MOSFET控制VBUS供电与否

b）DRP使用Switch去切换自身身份作为Source，或者是SINK

c）DRP存在一套机制，分三种情况，去决定自身是SINK或者是Source，去建立两者间彼此的角色。

情况1：不使用PD SWAP，随机变成Source/SINK中的任意一个，CC脚波形为方波

情况2：自身倾向于作为Source，执行Try.SRC，问对面能不能做SINK呀，我做Source

情况3：与情况2相反，自身倾向作为SINK，执行Try.SNK，你做Source，我做小弟

当然还存在Source&Source，SINK&SINK这种搞基模式，唯一的结果就是一直停留在Unattached.SNK/Unattached.SRC，无法终成眷属。

3.3 Type-C的其他模式

3.3.1 Display Port Alternate Mode

      系统会通过USB PD协议中VDMs的信息通信（CC引脚通信），去告知支持Display Port模式。在这个模式当中，USB SuperSpeed 信号允许部分传输USB，部分传输DP信号。

3.3.2  Audio Adapter Accessory Mode 

       如下图，为3.5mm音频输入口转Type-C端口，USB2.0链路被用来传输模拟音频信号，若带MIC，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。

       Host端如何识别到音频模式呢？把CC引脚和VCON连接，并且下拉电阻小于Ra/2(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。

3.3.3 Debug Accessory Mode （DAM）

       在DAM下，连接软体和硬体提供可视化调试和控制的系统，使用较少。

四、如何进行数据链路的切换

4.1 纯USB3.0

以TUSB546(DFP)，TUSB564(UFP)为例子

前者的使用例子如笔记本电脑、后者的使用例子如Monitor

如下图，两端设备会根据插入方向，切换数据链路。图X插入连接为CC1，因此TUSB564切换到TX1/RX1

如图插入连接为CC2，因此TUSB564切换到TX2/RX2，也就是根据CC引脚插入，识别插入方向

4.2 USB3.1和2 LANE of DisplayPort

切换原理如上，需要注意的是，DP信号是使用SBUx进行传输

4.3 纯DP模式 4 lane

问题思考：如何确定是DP 4 lane模式或者是DP 2 lane+USB3.0 模式？

通过CC引脚，利用PD协议沟通，协商，PD Controler 发起请求，并得到回应

五、相关参数/名词解释

5.1 上拉电阻Rp

Rp有6个参数（5V档位和3.3V档位各3个），指示着不同的供电能力。

5.2 下拉电阻Rd

都是5.1K电阻下地，能否检测电源供电能力，取决于电阻的精度。

5.3 线材中的下拉电阻Ra

最小值800 ohm，最大值1.2K

5.4 名词解释

六、PD协议简介

PD协议的通信编码为Bi-phase Mark Coded (BMC)，通过CC脚进行通信。 

CC引脚在Source和Sink的大致波形

七、行业相关信息