Type-C协议-CC检测原理

Posted 2022-09-06 bobuddy

Type-C协议简介（CC检测原理）

1 简介

越来越多的手机开始采用Type-C作为充电和通信端口，Type-C连接器实物和PIN定义如下图：

Type-C连接器中有两个管脚CC1和CC2，他们用于识别连接器的插入方向，以及不同的插入设备。本文介绍CC的基本识别原理。

先介绍几个概念：
DFP——Downstream Facing Port，也就是Host
UFP——Upstream Facing Port，也就是Device
DRP——Dual Role port，既可以做DFP，也可以做UFP。

在建立连接之前，DRP的角色在DFP和UPF之间切换。如果两个DRP连接，最先随机到那种角色后开始建立连接，之后可以通过USB协议协商进行动态切换。

2 为什需要CC检测

虽然USB Type-C插座和插头的两排管脚对称，USB数据信号都有两组重复的通道，但主控芯片通常只有一组TX/RX和D+/-通道（某些芯片有两组TX/RX和D+/-通道）。

由于USB2.0的数据率最高只有480Mbps, 可以不考虑信号走线的阻抗连续性，USB2.0的D+/-信号可以不被MUX控制而直接从主控芯片走线，然后一分二连接至USB Type-C插座的两组D+/-管脚上。

但USB3.0或者USB3.1的数据率高达5Gbps或者10Gbps，如果信号线还是被简单地一分二的话，不连续的信号线阻抗将严重破坏数据传输质量，因此必须由MUX切换来保证信号路径阻抗的一致性，以确保信号传输质量。

下图中右侧所示的MUX从TX1/RX1和TX2/RX2中选择一路连接至主控芯片，而这个MUX就必须被CC管脚控制。

在USB2.0应用中，无需考虑CC方向检测问题，但USB3.0或者USB3.1应用中，必须考虑CC方向检测问题。

注意UFP，比如U盘，移动硬盘内部不需要CC逻辑检测，因为它是上行，只有一对USB2.0或USB3.0信号，如下图

3 CC检测原理

CC信号有两根线，CC1和CC2，大部分USB线（不带芯片的线缆）里面只有一根CC线，DFP可根据两根CC线上的电压，判断是否已经插入设备。通过判断哪根CC线上有下拉电阻来判断方向，下图的说明已经非常清晰。

如果CC1引脚检测到有效的Rp/Rd连接（对应的电压），则认为电缆连接未翻转。
如果CC2引脚检测到有效的Rp/Rd连接（对应的电压），则认为电缆连接已翻转。

“有效的Rp/Rd连接”指在CC上形成了有效的电压。
从DFP的角度看，下表列出了所有可能的连接状态，

以上只是介绍了CC检测中判断是否翻转的原理，两个CC信号还有向UPF通告DFP提供电流能力的功能等，见下文。

3.1 DFP的上拉电阻Rp

DFP的CC1和CC2信号上都必须有上拉电阻Rp，上拉到5V或3.3V。或者CC1和CC2都用电流源上拉。最终的目的是在插入后，能检测到CC1或CC2上的电压，进而判断是否翻转以及DFP的电流能力。如下是所有可能的配置。可以选择右边三列中的任何一列作为上拉方式，比如Fairchild的FUSB300就是用330uA上拉，TI的TUSB320LAI用的是80uA的上拉，不同的上拉方式在CC引脚上形成的电压不同，不同的电压对应不同的电流能力。

3.2 UPF的Rd

UFP的CC1和CC2管脚都要有一个下拉电阻Rd到GND（或者使用电压钳位）。Rd的处理方式如下表。

注意，最后一列的电流源连接至的电压，是指3.1节中表格的最后一列电流源的上拉电压。
结合这个表格，和3.1节的表格，我们把每种可能的上下拉范围都计算出了最终形成的电压范围，如下表。

CC检测芯片会检测这个电压，通过判断电压范围来决定下一步操作。下表是CC管脚上不同的电压对应的DFP能提供的电流能力。第二列列出的每一种电压范围，都分别覆盖了上表计算出的电压。Rp/Ra的计算是同理的。

3.3 数据线上的Ra

带电子标签的线缆，其中一个CC管脚被更名为VCONN，用于给电子标签芯片供电。这个VCONN管脚与GND之间需要一个Ra电阻，这个电阻值范围是800Ω~1.2KΩ。

3.4 VCONN电源

VCONN的允许范围是4.75V~5.5V，要求供电能力是1W。默认情况下DFP提供这个电源。如果两个DRP连接，则双方可以通过USB PD协议协商来交换VCONN供电方。
支持PD的USB3.0接口均需支持VCONN，可以通过下面两种方式之一提供VCONN电源。

1. 如果其中一个CC引脚上检测到有效的Rp/Rd连接，则VCONN电源可以接到另一个对应的CC引脚。
2. 如果其中一个CC引脚上检测到有效的Rp/Rd连接，先检查另一个CC引脚是否也有Rp/Ra连接，然后再提供VCONN。
3. 先检测是否有Ra存在，如果有说明需要Vconn供电，此时再提供Vconn。检测过程不需要Vconn存在。
   注意，每一个CC引脚内部都有一个开关，轮训CC和VCONN功能，下图是一个典型的连接方式：
   

4 手机都是DRP

现实中，我们的手机都是DRP，既能做DFP，又能做UFP，那么是如何切换呢？
DRP在待机模式下每50ms在DFP和UFP间切换一次。当切换至DFP时，CC管脚上必须有一个上拉至VBUS的电阻Rp或者输出一个电流源，当切换至UFP时，CC管脚上必须有一个下拉至GND的电阻Rd。此切换动作必须由CC Logic芯片来完成。当DFP检测到UFP插入之后才可以输出VBUS，当UFP拔出以后必须关闭VBUS。此动作必须由CC Logic芯片来完成。下面是一个CC逻辑芯片框图，CC上有一个开关，在不断切换功能。

5 USB Power Delivery 2.0

这个是由USB-IF制定的单线协议，在CC线上传输，用于协商供电角色，电压，最大供电能力，数据角色，备用模式等，端口与供电电缆之间的通信业通过PD协议进行。协议不做展开，详见USB-IF官网。下面是协议的几个特点：

1. 所有通信均通过CC线。
2. DFP是总线主设备，用于发起所有通信。
3. 所有消息均采用32bit 4b/5b编码的双向标记编码（Bi-phase Mark Coded，BMC）
4. 300K波特率
5. CRC32错误检验+消息重试

6 Type-C线缆规范

1. 线缆至少支持10000次拔插。
2. 不规定信号线规，但是必须保证USB2.0和USB3.0的信号完整性
3. CC和SUB1/SUB2线上的阻抗不大于50Ω
4. GND返回路径上的最大IR压降为250mV
5. Vbus上的最大IR压降为500mV
6. USB Type-C规范中并未明确规定线缆长度，但是电器要求产生了一些物理限制。USB3.1 Type-C转Type-C电缆组件在5GHz下的插入损耗指定为为-6dB，从而将电缆长度有效限制为1米。USB3.0 Type-C转Type-C电缆组件在5GHz下的插入损耗指定为为-7dB，从而将电缆长度有效限制为2米。
   

7 带电子标签的Type-C数据线

如果Type-C数据线上带了芯片（我们称之为电子标签），这个芯片可以通过USB供电规范2.0 BMC协议与USB端口通信。电子标签电缆可用VCONN供电，也可以直接由Vbus供电，最高可消耗70mW的功率。如下类型的电缆必须要电子标签：

1. 兼容USB3.1的USB Type-C电缆
2. 100W供电电缆。能够实现60W以上功率承载能力的任何电缆都必须有电子标签，并且能够与DFP端口通信。
   带电子标签的电缆如果插入不支持USB供电规范2.0的插座中，其行为与标准的无源电缆完全相同。

8 音频配件模式

8.1 数字耳机

Type-C接口的数字耳机是一个UFP（Device），手机是DFP。耳机的CC1和CC2引脚上必须有Rd，实际上，乐视数字耳机的CC管脚上有一颗5.1K电阻。

8.2 模拟耳机

协议要求模拟耳机转接线上把两个CC引脚直接接到GND（必须小于Ra）。