USB Type-C設備到底需不需要邏輯控制Type C芯片呢?

2017-05-01 18:30:00
鄭R
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USB Type-C憑借其自身強大的功能,在Apple, Intel, Google等廠商的強勢推動下,必將迅速引發一場USB接口的革命,并將積極影響我們日常生活的方方面面。本文討論一個重要的專業問題:USB Type-C設備到底是否需要CC邏輯檢測與控制芯片

    要回答這個問題,我們得先從基本概念談起。

   Type C功能:


    DFP(Downstream Facing Port): 下行端口,可以理解為Host,DFP提供VBUS,也可以提供數據。典型的DFP設備是電源適配器,因為它永遠都只是提供電源。

    UFP(Upstream Facing Port): 上行端口,可以理解為Device,UFP從VBUS中取電,并可提供數據。典型設備是U盤,移動硬盤,因為它們永遠都是被讀取數據和從VBUS取電,當然不排除未來可能出現可以作為主機的U盤。

    DRP(Dual Role Port): 雙角色端口,DRP既可以做DFP(Host),也可以做UFP(Device),也可以在DFP與UFP間動態切換。典型的DRP設備是電腦(電腦可以作為USB的主機,也可以作為被充電的設備(蘋果新推出的MAC Book Air)),具OTG功能的手機(手機可以作為被充電和被讀數據的設備,也可以作為主機為其他設備提供電源或者讀取U盤數據),移動電源(放電和充電可通過一個USB Type-C,即此口可以放電也可以充電)。

    CC(Configuration Channel):配置通道,這是USB Type-C里新增的關鍵通道,它的作用有檢測USB連接,檢測正反插,USB設備間數據與VBUS的連接建立與管理等。

    USB PD(USB Power Delivery): PD是一種通信協議,它是一種新的電源和通訊連接方式,它允許USB設備間傳輸最高至100W(20V/5A)的功率,同時它可以改變端口的屬性,也可以使端口在DFP與UFP之間切換,它還可以與電纜通信,獲取電纜的屬性。

    Electronically Marked Cable封裝有E-Marker芯片的USB Type-C有源電纜,DFP和UFP利用PD協議可以讀取該電纜的屬性:電源傳輸能力,數據傳輸能力,ID等信息。所有全功能的Type-C電纜都應該封裝有E-Marker,但USB2.0 Type-C電纜可以不封裝E-Marker。

    USB Type-C設備DFP-to-UFP配置流程與VBUS管理有如下主要流程:

    設備連接與分開檢測:DFP需要檢測到CC管腳上有某個電壓時,判斷UFP設備已插入或拔出,來提供和管理VBUS。當沒有UFP設備插入時,必須關閉VBUS。因此所有的DFP設備需要CC邏輯檢測與控制芯片。

    插入方向檢測:如圖1,雖然USB Type-C插座和插頭的兩排管腳上下對稱,USB數據信號都有兩組重復的通道,但主控芯片通常只有一組TX/RX和D+/-通道。由于USB2.0的數據率最高只有480Mbps, 可以不考慮信號走線的阻抗連續性而得到較好地數據傳輸質量,因此USB2.0的D+/-信號可以不被MUX控制而直接從主控芯片一分二連接至USB Type-C插座的兩組D+/-管腳上。但USB3.0或者USB3.1的數據率高達5Gbps或者10Gbps,如果信號線還是被簡單地一分二的話,不連續的信號線阻抗將嚴重破壞數據傳輸質量,因此必須由MUX切換來保證信號路徑阻抗的一致性,以確保信號傳輸質量。下圖中右側所示的MUX從TX1/RX1和TX2/RX2中選擇一路連接至主控芯片,而這個MUX就必須被CC Logic控制。

    因此,在USB2.0應用中,無需考慮方向檢測問題,但USB3.0或者USB3.1應用中,必須考慮方向檢測問題。


圖1 USB Type-C數據走線邏輯模型


    但必須注意的是在USB3.0/USB3.1的應用中,有一種情況也可以不需要MUX,即不需要方向檢測,如圖2所示,不管是正插還是反插,左側主機都可以根據CC管腳上的狀態來切換MUX來連通USB3.0/USB3.1信號。此場景發生在右側設備永遠是UFP的情況下,比如U盤,移動硬盤等。
因此,USB3.0/USB3.1應用中,除UFP設備以外的所有設備都需要CC邏輯檢測與控制芯片。


圖2 USB Type-C直接連接數據走線邏輯模型


建立DFP-to-UFP和VBUS管理與檢測

    DRP在待機模式下每50ms在DFP和UFP間切換一次。當切換至DFP時,CC管腳上必須有一個上拉至VBUS的電阻Rp或者輸出一個電流源,當切換至UFP時,CC管腳上必須有一個下拉至GND的電阻Rd。此切換動作必須由CC Logic芯片來完成。
當DFP檢測到UFP插入之后才可以輸出VBUS,當UFP拔出以后必須關閉VBUS。此動作必須由CC Logic芯片來完成。

USB Type-C VBUS電流檢測與使用

    USB Type-C中新增了電流檢測與使用功能,新增三種電流模式:默認的USB電源模式(500mA/900mA),1.5A,3.0A。三種電流模式由CC管腳來傳輸和檢測,對于需要廣播電流輸出能力的DFP而言,需要通過不同值的CC上拉電阻Rp來實現;對于UFP而言,需要檢測CC管腳上的電壓值來獲取對方DFP的電流輸出能力。

USB PD通信

    USB PD看似只是電源傳輸與管理的協議,實際上它可改變端口角色,可與有源電纜通訊,允許DFP成為受電設備等諸多高級功能,因此支持PD的設備必須采用CC Logic芯片。

發現與配置擴展其他外設(Audio,Debug)

    USB Type-C支持語音附件以及Debug模式,USB Type-C接口的耳機如果只作為UFP且因為其功耗較小而無需檢測DFP的供電能力時,無需CC Logic芯片。

    綜上,所有的DFP(如電源適配器),所有的DRP(如電腦,手機,平板,移動電源), 所有需要檢測DFP電流輸出能力的UFP,所有支持PD的設備,都需要CC邏輯檢測與端口控制芯片。換句話說,只有因為功耗較低而不需要檢測電流能力的UFP(U盤,耳機,鼠標等)才不需要CC邏輯檢測端口控制芯片。
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