在设计载板时添加USB-C - 第1部分

Posted 2023-03-05 toradexsh

By Toradex Peter Lischer

本文是双篇文章系列的第一部分，旨在帮助您理解并实现在您的下一版电路板设计中使用USB-C。您将学习以下内容：

• USB-C端口的引脚及其在不同配置中的用途

• USB-C电缆可以随意更换方向，无论是正面还是反面

• 同一设备如何在主机和客户端之间切换

• USB-C的供电方式

• DRP、DRD、UFP和DFP等新术语

• 主动和被动USB-C电缆之间的区别以及适配器电缆的工作原理

现在从以下内容开始。

USB 标准和连接器

USB最初发布于1996年，旨在标准化外围设备与个人计算机之间的连接，目前已经经历了四个主要版本：USB 1.x、USB 2.0、USB 3.x和USB4。自那时以来，该标准替换了不同的接口，例如串行和并行端口。它确保设备具有自我配置和供电能力等有用功能。在USB标准的演变过程中，使用了不同的连接器，如下表所示：

USB连接器与USB标准 - 不同标准及每种连接器引入时间

USB-C 连接器

如表所示，USB-C似乎只是标准中的一种连接器。然而，请注意它替代了从USB 3.2开始的所有其他连接器

此外，请注意在USB-C之前的连接器被分别应用于主机端（type A 和其 mini/micro 变体连接器）和客户端（type B 和其 mini/micro 变体连接器）。因此，USB-C连接器的一个有趣特点是它在客户端和主机端都可以使用。

在USB 2.0版本之前，标准中的连接器有四个引脚：Vbus、D-、D+和GND。USB 3.0版本引入了SuperSpeed连接器，它有五个额外的引脚：SSRX-、SSRX+、SSTX-、SSRX+和GND_DRAIN。连接器因而被修改以适应额外的引脚。虽然 type-A 连接器很容易修改以适应五个以上的引脚，但type-B 连接器需要进行一些微小的改进。而Micro-B连接器变成了一个令人困惑且不友好的连接器。

参考图片

Type - A https://en.wikipedia.org/wiki/USB_3.0#/media/File:Connector_USB_3_IMGP6024_wp.jpg

Type - B https://4.bp.blogspot.com/-2IBVZ1_H6f8/VDQThGSgCHI/AAAAAAAABD4/egZs7BXvE7o/s1600/etymmm.jpg

Micro - B https://m.media-amazon.com/images/I/61qynPKsvvL._AC_SL1500_.jpg

USB-C连接器的推出是为了解决用户体验问题，也成为第一个翻转对称的标准USB电缆。

它有 24 个引脚：

• 相比之前的版本，USB-C 有 2条 SuperSpeed 信号通道，而之前的版本只有1条。

• 额外的翻转对称电源引脚。

• 对称的D+和D-信号对（在设备侧是冗余的，电缆只使用一个D+和一个D-）。

• 新的信号：2个用于配置控制的引脚和2个用于辅助通信的引脚。

引脚用途

• USB-C 连接器仍然可以用于默认的 Low/Full/High-Speed（2.0）连接，使用默认的 D+ 和 D- 数据信号对。

• 它也可以用于 SuperSpeed（3.x）连接，使用 high-speed 通道和配置控制引脚。

• USB-C 还可以作为电源传输接口（充电器）使用，其中使用 VBUS、GND 和配置控制。

• 同时，它的另一模式还可用作显示端口。通过将 superspeed 通道用作 Display Port 并使用 SBU 作为配置显示器的辅助通道，最多可以使用 4 条数据线。在此模式中，仍可以使用 D+ 和 D- 引脚进行 USB 2.0 连接。

• 它还可以作为音频适配器配件使用，支持立体声耳机和麦克风。

术语

在 USB-C 的文档中，可以看到之前标准中没有广泛使用的新术语。以下是这些新术语：

• DFP: 下行面向端口（Downstream Facing Port）- USB主机端口和电源输出。

• UFP: 上行面向端口（Upstream Facing Port）- USB客户端和电源输入。

• DRD: 双重角色设备（Dual Role Device）- 可以充当主机或客户端口（取代OTG）。

• DRP: 双重角色电源（Dual Role Power）- 可以作为电源输出者或电源输入者运行。

DFP和UFP这两个术语很容易理解，而DRD和DRP这两个不那么容易理解的术语是为了符合USB-C标准中两种独立角色的分类而故意创建的。

• 关于数据方向 - 主机和客户端。

• 关于电源方向 - 电源输入和电源输出。

因此，同一设备可以同时作为客户端（数据方向）和电源输出端（电源方向）。例如，某些扩展坞站即是 USB 客户端，又可作为笔记本电脑的充电电源。

控制通道

在USB-C引入的新引脚中，配置引脚 CC1和CC2是特别重要的，因为它们有三个基本用途：

• 电缆方向检测：
  由于USB-C电缆具有翻转对称性，所以任何一面都可以插入。因此，检测方向对于设备能够复用必要的引脚进行正确通信显得非常重要。请记住，连接器中并不是所有引脚都是对称的。

• 角色检测：
  在之前的标准中，通过使用不同的连接器来进行主机端（type-A）和客户端（type-B）之间的通信，从而可以轻松确定通信中的角色。这意味着，通过合规的电缆，不可能将两个主机连接在一起。
  对于 USB-C，连接器的形状不再防止连接两个主机。角色检测功能确保在这种情况下不会造成任何破坏。在 Dual Role Devices 相连接时，角色检测也非常重要，以确定哪个设备是主机，哪个是客户端。

• 电源检测与协商：
  支持不同的电源配置，客户端和主机需要就配置电源分配达成共识，这包括不同的VBus电压和最大电流。

这通过下图中展示的设置来实现：

线缆方向和角色识别设置

• 在上行设备中，CC1和CC2引脚有下拉电阻。

• 在下行设备中，CC1和CC2引脚有上拉电阻。

• 在被动电缆中，只有一对CC引脚被使用。

通过检测 CC1 和 CC2 引脚的电压，双方都可以轻松地确定所有参数：

• 角色检测 – 是否有电压变化？这意味着一侧是UFP（上行面向端口），另一侧是DFP（下行面向端口）。如果UFP设备没有检测到电压变化，则表示连接中没有DFP。如果DFP没有检测到电压变化，则表示另一端没有UFP。如果另一端连接的是同一类型的设备，也不会出现问题，因为此时的电压感应阶段发生在电源切换之前，这一点将在本博客后面介绍。

• 线缆方向 – 哪个引脚电压变化？由于电缆在CC引脚之间只有单个连接，因而只有一个引脚的电压会变化，这确定了每一端的电缆方向。

• 电源检测 - 电压是多少？通过使用不同值的上拉电阻，根据CC引脚上的最终电压值 ，DFP设备可以轻松地向UFP设备宣告电源传输能力。后续将介绍详细信息。

配置通道被用作双向通信总线，用于设备之间的高级电源协商。主动电缆具有标记芯片，可以通过CC总线通信，以了解电缆在电源传输方面的能力。稍后将提供详细信息。

另一个CC引脚可以用来为电缆内部存在的任何芯片提供电源。这些芯片可以是标记器、信号复制器或适配器。这些有源电缆有一个拉下的Ra电阻，并且使用 VCONN电压进行供电，固定为最大5V-1W。根据电缆的方向，两个CC引脚都可以切换到VCONN - 另一个引脚仍然可以用于通信总线。切换是通过VCONN控制信号完成的，该信号将CC1或CC2连接到电源。该方案可以在以下图表中看到。

USB-C 的一个关键方面是 VBUS 不总是通电。与以前的 USB 标准不同，这些标准的 VBUS 总是通电的，而 USB-C 上的 VBUS 仅在电源输出端通过观察 CC 引脚的电压值，检测到连接的电源输入端后才会开启。

支持的配置

了解了有关配置通道的信息后，您可以在一些情况下看到它是如何运作的：

• DFP 连接 UFP

在这种设置中，当两个设备连接在一起时，CC1上的电压下降。然后设备的USB控制器切换VBUS源，使得电源输入设备可以被供电。此外，控制器检测到电缆没有翻转，并且CC2引脚连接到VCONN，以为主动电缆提供电源。在这种切换后，接收方设备可以请求枚举，就像在以前的USB版本中一样。

• DRP 连接 UFP

DRP可以被配置为作为DFP工作。在这种情况下，CC引脚连接到上拉电阻。在检测到CC1电压变化后，设备的USB控制器可以激活VBUS源和CC2处的VCONN。

• DFP 连接 DRP

DRP（双角色端口）还可以配置为作为UFP。在这种情况下，CC引脚连接到下拉电阻器。在检测到CC电压变化后，DRP设备的USB控制器可以切换VBUS输入，使其能够由DFP设备供电。

• DRP 连接 DRP

在这个配置中，其中一个设备在CC引脚上启用了下拉电阻，而另一个设备在CC引脚上启用了上拉电阻。作为电源输出的设备然后激活VBUS输出，而作为电源输入的设备则激活VBUS输入。

• 错误的连接 - 由于USB-C连接器在电缆的两端都是相同的，有可能会不经意地将电源输入设备和电源输入设备，或者电源输出设备和电源输出设备连接在一起。在两种情况下，通信都无法进行，但不会对设备造成损坏。

• 电源输出端连接电源输出端

由于CC引脚没有电压变化，因此VBUS电源未被激活。

• 电源输入端连接电源输入端

没有 VBUS 输出，因此不存在电压输出源冲突的可能。

• 传统设备

• 传统电源输入端连接到 USB-C 电源输出端

适配器图片参考链接: https://www.hardware-wallets.net/wp-content/uploads/2017/05/ledger-otg-kit-adapters-large-360x181.png

为了提供与前几代 UFP 设备的兼容性，可以使用一个简单的适配器。 此适配器需要在 CC 信号上使用下拉电阻，以便 USB-C 源设备可以检测适配器并启用 VBUS 电源。

• 连接到 USB-C 电源输入端的传统电源

相反的情况也是可行的：USB-C 电源输入设备可以使用 type-A 转 type-C 电缆连接到前几代的电源输出设备。 它需要在 CC 线内部有一个上拉电阻，以便 USB-C 设备可以检测其 CC 引脚上的电压变化。

供电

USB-C 提供多种供电配置。 前三个级别向后兼容非 USB-C 设备（例如，使用 Type-A 连接器）。

向后兼容的 Power Delivery

电源模式	CC 用途	检测	电压	最大电流	最大功率
默认 USB 2.0	DFP 端使用 56kΩ 上拉电阻或者 Type-A 适配器	需要通过 USB 2.0 信号进行 USB 枚举。没有枚举时，只允许 100 mA（休眠模式下 2.5mA ）	5 V	0.5 A	2.5 W
默认 USB 3.x	DFP 端使用 56kΩ 上拉电阻或者 Type-A 适配器	需要通过 USB 信号进行 USB 枚举。没有枚举时，只允许 150 mA	5 V	0.9 A	4.5 W
USB BC 1.2	DFP 端使用 56kΩ 上拉电阻或者 Type-A 适配器	通过测量 USB 2.0 信号的 D+ 和 D- 线之间的电阻来检测电池充电器主机是否存在	5 V	1.5 A	7.5 W

Type-A 转 type-C 电缆提供向后兼容的供电配置。 请注意，USB 枚举过程是必需的 ，USB BC 1.2 模式除外 ，对于电池充电器，放置一个只为枚举的芯片是不现实的。 在这种情况下，通过电源适配器上的 D+ 和 D- 之间的短连接向电源输入设备宣布电池充电器的存在。 这允许在不进行 USB 枚举的情况下输出最高 1.5A 的电流。

简单 Power Delivery

电源模式	CC 用途	检测	电压	最大电流	最大功率
USB-C 5V/1.5A	DFP 端使用 22kΩ上拉电阻	UFP检测CC脚的上拉电阻值	5 V	1.5 A	7.5 W
USB-C 5V/3A	DFP 端使用 10kΩ上拉电阻	UFP检测CC脚的上拉电阻值	5 V	3 A	15 W

USB-C 引入了两种简单的供电模式，只需要在 DFP 端使用不同值的上拉电阻。 这些模式仅适用于电缆两端都是 USB-C 连接器。 它不适用于传统的 type-A 转 type-C适配器电缆。

高级 Power Delivery

电源模式	CC 用途	检测	电压	最大电流	最大功率
USB PD	Bus	DFP、UFP 和标记电缆之间的总线通信	5-20 V	5 A	100 W
USB PD Extended Power Range	Bus	DFP、UFP 和标记电缆之间的总线通信	5-48 V	5 A	240 W

使用 CC 通道作为通信总线来协商电压和电流，可以获得更高功率。如果电流高于 3A 或电压高于 20V，则电缆需要标记芯片进行通信并允许这些更高功率的模式。被动电缆仅支持最高 60W (3A/20V)。

我们可以用下图来总结上述表：

• 可以使用不同值的电阻宣布最高为 15W (5V/3A) 的供电能力 - 仅使用 5V 电压。

• 更高的电压和功率需要通过配置通道总线协商。高于 3A 的电流需要内部带有标记芯片的电缆。

您现在了解 USB-C 的基本原理、角色定义和功率传输。 请继续关注我们的下一篇博客，我们将在其中提供真实示例并讨论 USB-C 中的数据信号。