USB Type-C接口PD协议详解

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点击次数:572 更新时间:2016年12月23日11:19:02 打印此页 关闭

1. 概述

USB Type-C标准的出现是为了满足不断增长的现代设备之间的连接需要,它在传统USB标准的基础上提供了更高的电源传输能力和数据传输速度,重新设计的连接器体积更小、使用起来更方便。

表1将旧有的USB标准和USB Type-C标准放在一起进行了比较。

连接器外观

连接器触点

数据传输速度

容许通过的电流电压指标

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USB 1.x/2.0 标准插头

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1 = VBUS,4 = GND

3 = Data+, 2 = Data-

USB 1.0/1.1 :

低速: 1.5Mbps

全速: 12Mbps

USB 2.0 :

高速: 480Mbps

5V/500mA

BC1.2 : 5V/1.5A

(专用于充电系统)

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USB 1.x/2.0 小型插头

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1 = VBUS, 5 = GND

3 = Data+, 2 = Data-

4 = ID : 接地代表主机,浮空代表外设

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USB 1.x/2.0 微型插头

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1 = VBUS, 5 = GND

3 = Data+, 2 = Data-

4 = ID : 接地代表主机,浮空代表外设

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USB 3.0插头

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1 = VBUS, 5, 8 = GND

2 = Data-, 3 = Data+

4 = USB-OTG,

6 = Tx-, 7 = Tx+,

9 = Rx-, 10 = Rx+

USB 3.0 :

超速 : 5Gbps

5V/900mA

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USB Type-C插头/座

插座 :

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插头 :

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Legacy继续保有 Data-, Data+

新增两对高速传输线Rx1/2、Tx1/2

新增CC1/2用于系统配置

新增VCONN为电缆供电

新增SBU1/2用于sideband/音频应用

USB 2.0 :

高速 : 480Mbps

USB 3.0 :

超速 : 5Gbps

USB 3.1 :

超速+ : 10Gbps

默认 : 5V / 1.5A

5V/3A max

USB PD :

5V ~ 20V, 5A max

USB PD 3.0 with PPS

3V ~ 20V, 5A max

表1

从表1信息可以看出USB Type-C标准具有一些新的特性:

  • USB –Type-C插头是可反转使用的,任一方向插入均可;无论怎样插入,电源的连接都是正确的。由于插座上含有两组连在一起的数据线D+/D-,所以插头以任意方向插入时数据线都是连通的。用于高速通讯的TX/RX不能被连接在一起,所以CC线被用于对电缆的插入方向进行标识,并经由硬件线路对TX/RX进行路由,确保配置正确。

图1显示的是USB Type-C插座和电缆插头的引脚配置。

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图1

  • USB Type-C标准相对于旧标准的另一不同点是它引入了双角色能力。每根USB Type-C电缆的两端都是完全等同的,这就意味着连接起来的两台设备必须相互进行沟通以确定自己应作为主机还是外设而存在。角色的沟通需针对数据和电源分别进行,此工作在电缆接通之后就要进行。用于数据通讯的主机端口被称为下行端口 (Downstream Facing Port, DFP),外设端口被称为上行端口 (Upstream Facing Port, UFP)。而电源方面,供电端被称为源端 (Source),耗电端被称为吸端 (Sink)。有的设备既可以有数据上的双角色 (Dual Roles of Data, DRD) 能力,又具有电源上的双角色 (Dual Roles of Power, DRP) 能力。CC线在两台设备连接期间能起到定义电源角色的作用。


  • USB Type-C系统带来的另一个好处是较高的供电能力。传统的USB电缆只容许提供2.5W功率,USB Type-C电缆则容许提供高达5V/3A即15W的最大功率,如果采用了电源传输 (Power Deliver, PD) 协议,电压电流指标就可以提升到20V/5A即100W的最大功率,这就容许通过USB端口为大型设备如监视器等设备供电,也容许对含有大型电池包的笔记本电脑等设备进行充电。新的USB PD 3.0协议还支持可编程电源 (Programmable Power Supply, PPS) 协议,容许对总线电压和电流进行精确调节,而电压则可以低于5V。利用这样的协议,使用可调的总线电压对电池进行直接充电的高效直充系统就成为可能,这时的总线电压可以低达3V。标准的Type-C电缆额定的负载能力是3A,当更高的电流出现时,含有电子标签的电缆就必须被使用了,其中的电子标签可经CC线对电缆的能力进行标识。电子标签需要的电源供应是5V的,可用CC线经由电缆的VCONN向其提供。


  • 经由TX/RX线对提供的10Gbps高速通讯能力使得原来须由专用电缆提供的通讯如HDMI / DisplayPort/Thunderbolt等经由USB电缆进行传输成为了可能,4k的高清视频信号传输也完全没有问题。使高清HDMI信号经由USB Type-C电缆传输的应用需要将电缆的数据线进行特殊的配置,这被称为替换模式 (Alternate Mode)。

下面的图片给出了一些USB Type-C应用的例子,与之相关的立锜IC出现在其中。

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图2

图2显示的是典型的手机快充解决方案,其中的电源适配器可以根据手机充电电路的需要提供5V、9V、15V、20V等可调的USB总线电压。

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图3

图3显示的应用与图2差不多,但是加入了USB PD 3.0支持的可编程电源功能,总线电压可在很宽的范围内进行精确调节。由于经过扩展以后的总线电压可以低达3V,直充的概念已经可以实施,VBUS可以和电池直接连接起来,USB PD 3.0协议可对电池电压和电流进行精确调节。

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图4

在图4显示的车载充电应用中,车辆电池的供电被转换为5V或9V以满足手机电池管理芯片的要求,而手机也可通过数据链路向车辆娱乐系统提供音频等数据。

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图5

当需要向大型设备如笔记本电脑等供电时,需要使用较高的总线电压。图5所示的是从车辆电源提供90W功率给笔记本电脑的解决方案,其中用到了Buck-Boost转换器。由于笔记本电脑需要较高的总线电压,必须使用USB PD协议。由于电流需要高达4.5A,所用电缆也必须是使用了电子标签的主动式电缆。

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图6

支持USB电源传输协议的计算机显示器可以像图6所示的那样为笔记本计算机提供电源供应,它也同时通过同一根电缆的替换模式接收需要显示的数据信息。

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图7

图7示范了一个电源供应站的样子,它可以连接多台设备,向它们提供电源,并且完成它们之间的数据路由工作。

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图8

了解了USB Type-C接口以后,便知道会存在将其它端口与之连接起来的需要。图8显示的是一个USB Type-C和HDMI接口之间的转换电缆,它的总线电压总是5V的,其电路部分可直接从总线上获取电源供应。



2. USB Type-C标准进行数据和电源配置的方法


数据的传输 :

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图9:未扭转、未翻转的直接连接

图9显示的是电缆未扭转、插座未翻转时的连接状态。从左侧的插座到右侧的插座,RX1线对连接到TX1线对,RX2线对连接到TX2线对;D+与D+连接,D-与D-连接,SBU1与SBU2连接,CC1经由CC线与CC1连接。

USB 3.1仅需使用两对数据线,在此案中,高速数据经由RX1+/-和TX1+/-从一端传递到另一端。

电缆两端的VCONN是不需要连通的。为电缆中电子标签IC供电的VCONN来自电缆的一端,它在电子标签芯片被确定存在于电缆中即被提供。

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图10:电缆扭转以后的连接

在插座位置不变的情况下,将电缆扭转以后的连接状态显示在图10中。

在这种情形下,从左侧的插座到右侧的插座,RX1线对连接到TX2线对,RX2线对连接到TX1线对,D+仍然连接到D+,D-仍然连接到D-,SBU1连接到SBU1,SBU2连接到SBU2,CC1经由CC线连接到CC2。现在,高速数据经由左侧的RX1+/-和TX1+/-到右侧的RX2+/-和TX2+/-进行传输。

总共有4种可能的连接方式:插座翻转或不翻转,电缆扭转或不扭转。

在USB 3.1的系统中,RX/TX数据线需要使用多路复用器针对各种可能的电缆连接状态对RX/TX线的连接状态进行配置,使得正确的通讯连接能够形成,图11显示了USB Type-C端口之间数据线的路由可能性。通过测量每个端子上CC1/2的状态即可了解电缆和插座的方向,CC逻辑控制器可据此完成多路复用器的路由配置,此工作既可在多路复用器中完成,也可能在USB芯片组中进行。

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图11


电源传输:

在不采用电源传输协议的USB Type-C接口中,电源从源端传输到吸端的方法如图12所示。

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图12

USB Type-C的源端总是包含有一个用于接通/关断VBUS的MOSFET开关,它也可能具有VBUS电流的检测能力,其主要作用是对过流状况进行检测,另外还会含有VBUS的放电电路。CC1和CC2的检测电路在源端和吸端都会存在。

CC (Channel Configuration) 线的作用是对两个连接在一起的设备进行电源供应的配置。初始情况下,USB Type-C接口的VBUS上是没有电源供应的,系统需要在电缆连接期间进行设备角色的定义,插座上的CC线被上拉至高电平的设备将被定义为电源供应者即源端,而被下拉至低电平的设备将被定义为电源消费者即吸端。

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图13

图13显示出了确定电源供求角色、电缆方向和电流供应能力的方法。源端的CC1和CC2通过电阻Rp被拉高,被监测着的CC1/CC2在没有连接任何东西时总是处于高电平,一旦吸端接入,CC1或CC2的电压就被电阻Rd拉低了。由于电缆中只有一条CC线,因而源端可以分辨出是哪个CC端被拉低了。吸端的CC1/CC2的电压也同样被监测着,一旦发现某条CC线被拉高了,其电压水平就让吸端知道源端电流供应能力。电路中的上拉电阻Rp也可以用电流源代替,这在集成电路中很容易实施,而且可以不受V+电源电压误差的影响。

吸端的下拉电阻Rd的定义值是5.1kΩ,因而CC线的电压是由源端上拉电阻Rp的值(或电流源的电流值)决定的。已经定义的总线电流能力有3档,最低的CC线电压(大约0.41V)对应的是默认的USB电源规格(USB 2.0的500mA 或 USB 3.0的900mA),较高的CC线电压(大约0.92V)对应的电流能力是1.5A。假如CC线电压为大约1.68V,对应的最大电流供应能力为3A。相关数据可参照图14。

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图14

图15示范了一个测量案例,其中的电源供应端(源端)被连接到了电源消费端(吸端),使用了普通的USB Type-C电缆。

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图15

最初的时候,源端插座上的CC1和CC2都被电阻Rp上拉至高电平,吸端的CC1和CC2都被下拉电阻Rd下拉至低电平。

电缆接通以后,CC1或CC2根据电缆的插入方向而被上拉至较高电压。本案中的电缆没有处于扭转状态,源端的CC1和吸端的CC1之间被接通,CC1上出现由Rp和Rd分压以后的电压,此电压将由吸端进行测量并由此知道源端的电流供应能力是多少。

在此案例中,接通以后的CC1的电压大约是1.65V,意味着源端最大能供应3A电流。

CC线的连接被确定以后,VBUS上的5V电压将被接通。

在不含电源传输协议的系统中,总线上的电流供应能力由分压器Rp/Rd确定,但源端只会供应5V电压。

引入电源传输 (Power Delivery, PD) 协议以后,USB Type-C系统的总线电压可以增加到最高20V,源端和吸端之间关于总线电压和电流的交流通过在CC线上传输串行的BMC编码来完成。

包含PD协议的USB Type-C系统从源端到吸端的系统框图如图16所示。

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图16

现在的源端内部包含了一个电压转换器,它是受源端PD控制器控制的。根据输入电压条件和最高总线电压的需求,该电压转换器可以是Buck、Boost、Buck-Boost或反激式转换器。经过CC线进行的PD通讯也在PD控制器的管控之下。USB PD系统还需要有一个开关可以将Vconn电源切换至一条CC线上。(参见后文关于电子标签IC的章节。)

当电缆的连接建立好以后,PD协议的SOP通讯就开始在CC线上进行以选择电源传输的规格:吸端将询问源端能够提供的电源配置参数(不同的总线电压和电流数据)。由于吸端对电源的需求常常是与吸端的系统有关的(例如电池充电器),吸端的嵌入式系统控制器就需要先与吸端的PD控制器进行通讯以确定相应的规格。

图17示范的是吸端的PD控制器申请一个较高的总线电压的例子。

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图17

吸端和源端之间在CC线上进行的通讯看起来像如下的样子:

1. 吸端申请获得源端的能力数据。

2. 源端提供它的能力数据信息。

3. 吸端从源端提供的能力数据信息中选出适当的电源配置参数并发出相应的请求。

4. 源端接受请求并将总线电压修改成相应的参数。在总线电压变化期间,吸端的电流消耗会保持尽可能地小。源端提升总线电压的过程是按照定义好的电压提升速度来进行的。

5. 总线电压达到最后的数值以后,源端会等待总线电压稳定下来,再发送出一个电源准备好信号。到了这时候,吸端就可以增加其电流消耗了。当吸端希望总线电压降低的时候,同样的通讯过程也会发生。

在总线电压下降期间,源端会激活一个分流电路,通过主动的总线放电使总线电压快速降低。达到额定值以后,源端会等待一段稍长的时间让总线电压稳定下来,然后再送出一个电源准备好信号。

这样的通讯方法可确保总线上的任何电源变化都落在源端和吸端的能力范围内,避免出现不可控的状况。当Type-C电缆的连接被断开时,总线上的电源也被关断,任何新开始的连接都会进行电缆连接检测,电压也总是处于5V,这样就可以避免在电缆接通时有高电压从一台设备进入另一台设备 。

USB PD通讯使用的是双相标记码 (Bi-phase Mark Code, BMC),此码是一种单线通信编码,数据1的传输需要有一次高/低电平之间的切换过程,数据0的传输则是固定的高电平或低电平。每个数据包都含有0/1交替的前置码、报文起始码 (Start of Packet, SOP)、报文头、信息数据字节、CRC循环冗余编码和报文结束码 (End of Packet, EOC),参见图18。

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图18

图19展示的是一次要求总线电压升高的PD通讯的波形从密集至展开的样子,从最后展开的波形中可以看出前置码的序列。

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图19

BMC通讯数据可以用USB PD解码器进行解码,Ellisys的EX350分析仪就是这样的设备。有了这种工具以后,PD通讯的数据就可以被捕获下来并显示出每个数据包的意义,其中含有与时间相关的数据如总线电压值、CC线上的波形等,参见图20。

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图20


电源配置清单

USB PD 3.0规范定义了下列电源配置清单:

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图21

有4个独立的电压值是预先定义好的:5V、9V、15V和20V。对于5V、9V和15V来说,最大的电流为3A。在20V的配置中,如果电缆是普通的,最大容许的输出是20V/3A即60W。假如使用了特别定制的含电子标签电缆,相应的数据可以放大到20V/5A即100W。一个系统在支持最高的电压和功率等级的情况下还必须同时支持所有的较低的电压和功率等级。


含有电子标签的电缆

USB Type-C规范定义了各种不同规格的电缆。低速的USB 2.0电缆没有特别的要求,只是要求其电流承载能力要达到3A。支持超速数据传输的USB 3.1电缆或是电流承载能力超过3A的电缆必须使用电子标签进行标识。图22所示的电缆中含有IC,其作用就是对电缆特性进行标识。这种具有活力的电缆也可以包含用于信号整形的IC,它们都需要从电缆的VCONN端子获得电源供应。

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图22

含有电子标签IC的电缆中的Vconn上都含有1kΩ的下拉电阻Ra,其值要小于典型值为5.1kΩ的电阻Rd。这样的电缆在插入时,源端都会看到CC1和CC2电压下降的情况,具体的电压水平将告诉主机哪个端子被吸端的5.1kΩ电阻下拉了、哪个端子被电缆的1kΩ电阻下拉了,因而电缆的插入方向就可以被确定下来。Ra的下拉作用也能让源端知道VCONN需要得到5V的电源供应,因而需要向CC端供电以满足电子标签的电源需求。

图23显示了一个测试案例,电源供应端(源端)被使用了电子标签的电缆连接到电源消耗端(吸端),其中的电缆是处于扭转的状态 。

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图23

从中可以看到,当电缆接通以后,源端的一条CC线被来自VCONN端的1kΩ低电阻拉到了很低的电压。

源端将检测到此电压,并由此知道电缆中含有电子标签,于是就会将5V的VCONN电源接入CC线以实现对电缆内部电路的供电。

在其后发生的PD通讯中将会包含源端和电子标签之间的通讯(称为SOP’或SOP”)以及源端和吸端之间的通讯(称为SOP)。


电源的双重角色

有的USB Type-C设备既可做源端,又可做吸端,它们被称为支持双重角色的设备 (Dual Role for Power, DRP)。这种设备的CC1和CC2端在互连以前处于高低电平交替变换的状态,一旦连接发生,两者的CC端都会发生改变,如图24所示。

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图24

在这次连接事件中,左边的DRP设备选择做了源端,右边的DRP设备选择做了吸端。这个情形也可能反转过来,除非一台DRP设备已经被设定为源端优先(例如它由外部电源适配器供电时),或是被设定为吸端优先(例如处于由电池供电的情形)。

电源角色的转换在连接期间也是可以发生的,只要连接在一起的两台DRP设备中有一台设备发起了角色变换的要求就行,图25显示了这样的角色变换的过程。

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图25

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