Type-C接口的引腳定義 Type-C設備之間詳細的配置過程

Type-B后推出的最新的接口規范。 不同于傳統的USB接口，Type-C采用了上下對稱設計，不需要區分插頭的方向，避免了用戶正反插的繁瑣操作。 另外，USB Type-C通過支持USB PD(Power Delivery)協議，將充電功率由傳統的最大7.5W(5V1.5A)，提升到了最大100W(20V5A)。 而最新的USB PD3.1的規范，進一步提升了Type-C充電功率，最大功率可以達到240W(28V5A)。

圖1 三種USB接口

對于傳統的USB Type-A或Type-B的設備，在接口定義中就已經規范了供電接口(Source)和受電接口(Sink)的形態，因此不必擔心反接或錯接的行為。 而對于Type-C接口的設備，由于不存在這些區別，用戶無法獲知其接口的類型，因此需要Type-C控制器自身完成。 那么Type-C接口是如何實現相互識別的，又是如何提供正確的供電邏輯的?

Type-C接口的引腳定義

Type-C接口分為母頭(Receptacle)和公頭(Plug)。 完整的Type-C引腳為24個，各個引腳的定義如下：

1. VBUS：共四路，設備間供電的BUS電壓引腳，不論正反插，這四路引腳都會提供供電

2. GND：共四路，設備間的供電回路，不論正反插，這四路引腳都會提供供電回路

3. TX+/TX-和RX+/RX-：共四對，為USB3.0高速信號

4. D+/D-：共兩對，為USB2.0信號。 在母頭處，這兩對會短路成一對

5. CC/VCONN: CC引腳為配置引腳，用于檢測設備連接和正反插方向，也是USB PD通信的線路; VCONN為CC引腳斜對稱的引腳，當一個引腳確認為CC時，另一個則定義為VCONN，用于給eMark線材供電

6. SBU1/SBU2：復用引腳，如為USB4提供額外的SBTX和SBRX

母頭為24pin滿針腳，上下針腳為斜對稱，滿足用戶正反插的需求; 公頭為22pin，由于USB2.0規范中，D+/D-只有一對，因此在公頭中只保留一對D+/D-針腳。

當然，在實際產品設計中，工程師會根據產品定義適當縮減Pin腳數量以節約成本。 例如，對于只提供充電的產品，如電源適配器，這類產品不需要USB3.0的高速數據通信，因此只保留CC、VBUS、GND和D+/D-引腳。

圖2 USBType-C母頭(a)和公頭(b)的引腳定義

Type-C設備之間如何識別

就供電而言，Type-C設備可分為三類

1. 只能作為供電端(Source)的Type-C設備，如Type-C充電器等

2. 只能作為受電端(Sink)的Type-C設備，如Type-C手機等

3. 既可以作為供電端(Source)，又可以作為受電端(Sink)的Type-C設備(DRP，Dual RolePort)，如Type-C筆記本，雙向充電寶等。

顯然，當兩個Type-C設備通過C2C線材連接在一起時，雙方必須知道對方屬于何種類型的設備，否則會帶來不理想的充電(如反向充電)，或者不充電，甚至導致產生安全問題。

例如，當用戶利用充電器(Source)給Type-C雙向充電寶(DRP)充電時，理想情況下，充電寶應當“擔任”Sink的角色。 然而，由于設備類型識別錯誤，可能導致充電寶“擔任”Source角色而發生“電流倒灌”的現象，損壞兩方設備。

Type-C接口規范通過CC引腳的一系列“上拉”和“下拉”的機制來區分Source、Sink以及DRP。 對于Source設備，要求CC引腳配置上拉電阻Rp; 對于Sink設備，要求CC引腳配置下拉電阻Rd; 而對于DRP設備，要求通過切換開關，交替性地切換上拉和下拉。

圖4 CC引腳的“上拉”和“下拉”

Source通過檢測Rp端的CC引腳判斷是否有設備接入，Sink通過檢測Rd端的CC引腳判斷正反插的方向。

下拉電阻Rd=5.1k，上拉電阻Rp根據其供電能力和上拉電壓不同而設定。 USB Type-C的供電能力有如下幾種：

1. 默認USB供電能力(Default USB Power)。 USB2.0接口為500mA; USB3.2接口為900mA和1500mA

2. BC1.2(BatteryCharge 1.2)協議。 支持最大功率7.5W，即5V1.5A

3. USB Type-C電流1.5A(USB Type-C Current 1.5A)，支持最大功率7.5W，即5V1.5A

4. USB Type-C電流3A(USB Type-C Current 3A), 支持最大功率15W，即5V3A

5. USB PD(USB PowerDelivery)協議, 支持最大功率100W，即20V5A

這五種供電能力優先級依次升高，且供電功率也逐漸提高。 高優先級的供電能力會覆蓋低優先級的供電能力。 其中Default USB Power，USB Type-C Current 1.5A和USB Type-C Current 3A可通過配置Rp值來設置。

當兩個設備連接完成后，Sink通過檢測Rp和Rd的分壓值vRd獲取Source的供電能力。 如下為Rp值，vRd電壓范圍與Source供電能力的對應關系。

圖5 Rp值，vRd電壓范圍與Source供電能力的對應關系

與此同時，設備的另一個CC已經被懸空或者通過Ra=1k下拉。 若有Ra下拉，則說明USB-C線材內置eMarker芯片，需要Source端通過切換該引腳至VCONN為線材供電。

至此，我們已經解釋了設備之間通過“上拉”或“下拉”，或者在二者之前交替性切換，來判斷Source、Sink以及DRP，并通過Rp電阻值，vRd電壓值設置和判斷Source的供電能力。 然而，這個過程具體是如何實現的? Type-C是如何避免反充或錯誤充電的?

Type-C設備之間詳細的配置過程

我們以常用電子設備對應這三種類型：Source – 充電器; Sink – 手機;DRP – 筆記本或充電寶。

對于三種設備類型，理論上就會存在9種相互連接的組合，這些組合中必然有錯誤的連接方式(如適配器連接適配器)，或不確定誰是Source的連接方式(如充電寶或筆記本)。 那么對于這么多組合，Type-C控制器是如何配置接口的?

Type-C控制器通過狀態機的狀態切換完成整個識別和溝通的過程，如下為狀態機中的幾種主要狀態。

1. Unattached.SRC，Source處在未連接的狀態

2. Unattended.SNK，Sink處在未連接的狀態

3. AttachWait.SRC，該狀態目的是Source確保設備連接后，CC1和CC2保持穩定

4. AttachWait.SNK，該狀態目的是Sink確保設備連接后，CC1和CC2保持穩定

5. Attached.SRC，Source端判斷設備連接成功

6. Attached.SNK，Sink端判斷設備連接成功

5. Try.SRC，該狀態為DRP設備試圖切換Source角色

6. Try.SNK，該狀態為DRP設備試圖切換Sink角色

情形一 Source和Sink間的行為機制(適配器和手機)

如下是當Source有Sink設備接入時的行為機制：

(1) Source和Sink均處于未接入狀態Unattached.SRC和Unattached.SNK

(2)Source檢測到CC端有Sink上拉電阻，則Source狀態變化Unattached.SRC --> AttachWait.SRC--> Attached.SRC; Source打開VBUS和VCONN。

(3)Sink檢測到VBUS，則Sink狀態變化為Unattached.SNK --> AttachWait.SNK -->Attached.SNK

(4)在Source和Sink處于連接(attached)狀態之后

Source調整Rp數值來限制Sink吸收電流

Sink檢測Rd上的電壓vRd判斷VBUS允許的電流

Source通過監測CC判斷Sink是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SRC

Sink通過監測VBUS電壓判斷Source是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SNK

圖6 充電器(Source)和手機(Sink)的行為機制

情形二 Source和DRP間的行為機制(充電器和筆記本)

如下是當Source有DRP設備接入時的行為機制：

(1) Source和DRP均處于未接入狀態

Source處于Unattached.SRC狀態- DRP在Unattached.SRC和Unattached.SNK之間切換

(2)Source檢測到CC端有Sink上拉電阻，則Source狀態變化為Unattached.SRC --> AttachWait.SRC--> Attached.SRC; Source打開VBUS和VCONN。

(3)當DRP切換到Unattached.SNK，并檢測到CC引腳有上拉時，則DRP狀態變化為Unattached.SNK -->AttachWait.SNK --> Attached.SNK

(4)在Source和DRP處于連接(attached)狀態之后

Source調整Rp數值來限制DRP(即Sink)吸收電流

DRP(即Sink)檢測Rd上的電壓vRd判斷VBUS允許的電流

Source通過監測CC判斷Sink是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SRC- DRP(即Sink)通過監測VBUS電壓判斷Source是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SNK，并恢復其Unattached.SRC和Unattached.SNK的切換機制

圖7 充電器(Source)和筆記本(DRP)的行為機制

情形三 DRP和Sink間的行為機制(筆記本和手機)

如下是當DRP有Sink設備接入時的行為機制：

(1) DRP和Sink均處于未接入狀態

DRP在Unattached.SRC和Unattached.SNK之間切換- Sink處于Unattached.SNK狀態

(2)當DRP切換至Unattached.SRC時，并檢測到CC引腳有下拉電阻，則DRP的狀態變化為Unattached.SRC -->AttachWait.SRC --> Attached.SRC;DRP(即Source)打開VBUS和VCONN。

(3)Sink檢測到VBUS，則Sink狀態變化為Unattached.SNK --> AttachWait.SNK -->Attached.SNK

(4)在Source和DRP處于連接(attached)狀態之后

DPR(即Source)調整Rp數值來限制Sink吸收電流- Sink檢測Rd上的電壓vRd判斷VBUS允許的電流

DRP(即Source)通過監測CC判斷Sink是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SRC，并恢復其Unattached.SRC和Unattached.SNK的切換機制

DRP(即Sink)通過監測VBUS電壓判斷Source是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SNK

圖8 筆記本(DRP)與手機(Sink)的行為機制

情形四 DRP和DRP間的行為機制(充電寶與筆記本)

對于DRP和DRP的溝通，存在三種情況。 一種情況是，設備雙方決定誰是Source還是Sink是隨機的; 第二種情況是，其中一個DRP試圖通過Try.SRC機制來決定其作為Source; 第三種情況是，其中一個DRP試圖通過Try.SNK機制來決定其作為Sink。

如下是當DRP有DRP設備接入時的行為機制：

第一種情況：

(1)兩個DRP設備均處于未接入狀態

DRP#1和DRP#2在Unattached.SRC和Unattached.SNK之間隨機切換

(2)當DRP#1切換至Unattached.SRC時，并檢測到CC引腳由DRP#2下拉，則DRP#1的狀態變化為Unattached.SRC--> AttachWait.SRC --> Attached.SRC; ;DRP#1(即Source)打開VBUS和VCONN。

(3)DRP#2切換至Unattached.SRC時，并檢測到CC引腳有上拉，則DRP#2的狀態變化為Unattached.SNK -->AttachWait.SNK --> Attached.SNK

(4)在Source和DRP處于連接(attached)狀態之后

DPR#1(即Source)調整Rp數值來限制DRP#2(即Sink)吸收電流

DRP#2(即Sink)檢測Rd上的電壓vRd判斷VBUS允許的電流

DRP#1(即Source)通過監測CC判斷Sink是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SRC，并恢復其Unattached.SRC和Unattached.SNK的切換機制

DRP#2(即Sink)通過監測VBUS電壓判斷Source是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SNK，并恢復其Unattached.SRC和Unattached.SNK的切換機制

圖9 充電寶(DRP)和筆記本(DRP)的行為機制

第二種情況：

(1)兩個DRP設備均處于未接入狀態

DRP#1和DRP#2在Unattached.SRC和Unattached.SNK之間隨機切換

(2)當DRP#1切換至Unattached.SRC時，并檢測到CC引腳由DRP#2下拉，則DRP#1的狀態變化為Unattached.SRC--> AttachWait.SRC --> Attached.SRC; ;DRP#1(即Source)打開VBUS和VCONN。

(3)DRP#2切換至Unattached.SRC時，并檢測到CC引腳有上拉，則DRP#2的狀態變化為Unattached.SNK -->AttachWait.SNK

(4)DRP#2處在AttachWait.SNK，并希望切換至Source角色，DRP#2的狀態變化為AttachWait.SNK -->Try.SRC; 并且上拉CC引腳

(5)DRP#1不再檢測到DRP#2在CC引腳上的下拉，于是狀態變化為Attached.SRC --> UnattachWait.SNK--> AttachWait.SNK; 并且關閉VBUS和VCONN，在CC引腳上切換下拉電阻

(6) DRP#2檢測到CC引腳有上拉，則其狀態變化為Try.SRC --> Attached.SRC; 并且打開VBUS和VCONN

(7) DRP#1狀態變化為AttachWait.SNK --> Attached.SNK

(8)在Source和DRP處于連接(attached)狀態之后

DPR#2(即Source)調整Rp數值來限制DRP#1(即Sink)吸收電流

DRP#1(即Sink)檢測Rd上的電壓vRd判斷VBUS允許的電流

DRP#2(即Source)通過監測CC判斷Sink是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SRC，并恢復其Unattached.SRC和Unattached.SNK的切換機制

DRP#1(即Sink)通過監測VBUS電壓判斷Source是否斷開，如果斷開，則進入Unattached.SNK，并恢復其Unattached.SRC和Unattached.SNK的切換機制

圖10 筆記本(DRP#1)和充電寶(DRP#2)的行為機制

第三種情況為Try.SNK機制，其與Try.SRC機制類似，這里不再贅述。

情形五 Source和Source間與Sink和Sink間的行為機制

這兩種使用情況下，Source和Sink都處于Unattached.SRC和Unattached.SNK狀態下，故不存在設備間供電的情況。

至此，我們介紹了一些常見的設備之間的溝通機制。 尤其是對于兩個都是DRP雙角色設備，Type-C控制器會采用Try.SRC或Try.SNK的方式，試圖建立正常的供電邏輯。 當然，如若出現錯誤的供電邏輯(比如出現筆記本給充電寶充電的情況)，USB

PD協議還提供了Power Role Swap的機制，通過PD協議進行供電角色切換，詳細內容可參考USB Power DeliverySpecification。