USB Type-C型接口設計方案

USB-C 接口設計

USB Type-C 型接口之所以能被絕大多數電子設備采用，簡單來說它具有如下優勢：①支持正反插、②支持雙向最大100W 電力傳輸、③支持協議擴展。

這三個功能都離不開Type-C 接口中的 Configuration Channel，簡稱 cc。

什么是 Configuration Channel (cc) ？

如上圖所示，它是位于 Type-C Connector 中的兩個 pin（A5、B5），是 Host 和 Device 之間重要的配置通道。

Type-C 的 Receptacle 和 Plug 連接后，不僅僅有 cc 的電平識別，還有基于 cc 的 PD 協議通訊。因此 cc 的主要功能是，Detection Device，Check Positive and negative，Configure Data Bus，Negotiate Power For Vbus，Discover and Configure Alternate Mode。

三種 Type-C Port 硬件線路設計

一個 USB-C 接口到底是Power Source，還是 Power Sink，并不取決于它是

Type-C Receptacle 還是 Plug。兩個 Type-C 連接器連接后，電源最初方向和

內部 cc pin 電平密切相關。對于 Type-C 接口有三種硬件設計類型，如下所述。

A. Source Configuration Channel Functional Model

即硬件設計上作為一個 Power Source Port（和 Receptacle/Plug 無關），有如下功能：

1. Source 端的 PD Controller 使用 FET 去控制 Vbus 的 Power，未連接 Sink 時Vbus 關閉。
2. Source 端分別在 cc1/2 上連接 Rp 電阻，當 Sink 設備接入，cc 電壓會被 Sink 設備上的 Rd 拉低一定程度，因此 Source 端根據 cc 電壓即可判斷是否有 Sink 接入。
3. Source 端根據 cc pin 拉低的情況，偵測并建立正確的 USB3.0 Data Path，控制 MUX 保證USB3.0 data path 處于導通狀態。同時決定用未拉低的 cc pin 作為 Vconn輸出，拉低的 cc pin 作為 PD 通訊。
4. Source 端一旦檢測到 Sink 接入，就會提供 Vbus 和 Vconn Power。
5. Source 端能夠動態調整 Rp 的值，改變提供給 Sink 的 Current Level。
6. Source 端會持續檢測 cc 電壓狀態，以判斷 Sink 是否處于接入狀態。一旦 Sink 移除，Source 會關閉 Vbus 和 Vconn。

B. Sink Configuration Channel Functional Model

即硬件設計上作為一個 Power Sink Port（和 Receptacle/Plug 無關），有如下功能：

1. Sink 端在 cc1/2 上同時接 Rd 電阻，以改變 Power Source 端 cc 電壓。
2. Sink 端以 Vbus 上是否有 Power 判斷 Source 端是否接入
3. Sink 端根據 cc pin 拉高的情況，偵測并建立正確的 USB3.0 Data Path，控制 MUX 保證 USB3.0 data path 處于導通狀態。
4. Sink 端可以根據實際設計，偵測 cc 電壓（Power Source 端 Rp 值不同，cc 分壓不同），以判斷Source 端當前的 Current Level。同時需要管控自身的負載，防止 Source 端過流。

C. DRP Configuration Channel Functional Model

即硬件設計上作為一個 DRP，即 Dual Role Power（和 Receptacle/Plug 無關）既可以供電也可以受電，有如下功能：

1. DRP 端使用 FET 去控制 Vbus 的 Power，作為 Source 時，默認 Vbus 關閉。
2. DRP 端使用開關，分時連接 Rp 或者 Rd，使其對外呈現的 Source 和 Sink 狀態來回切換。
3. 關于 Source、Sink 的切換，在最開始連接時，有如下邏輯
   a. 在建立連接狀態前，DRP 呈現的 Source 或者 Sink 會來回切換。切換周期為
   tDRP（500--100ms），Rp 呈現的時間為 dcSRC.DRP（30%--70%），切
   換時間為 tDRPTransition（0--1ms）。Type-C 接口規范定義 Rp 呈現時間
   是在 30%--70%占空比范圍內變化的。但是有些 PD 設計為沒有變化，固定
   50%占空比。
   b. 當 DRP 呈現為 Power Source 時，遵循 Source Port 行為。
   c. 當 DRP 呈現為 Power Sink 時， 遵循 Sink Port 行為。

USB-C 接口功能

基于上述三種Type-C 接口硬件設計，僅依靠 cc 電壓識別就可以完成如下功能。

連接偵測

Type-C 接口的 Vbus 默認是沒有電壓的。當 Source 端偵測到 Sink 接入后，才會在 Vbus 上輸出 Power。如下圖，Source 端在兩個 cc pin 上呈現上拉電阻 Rp，對外都呈現高電平。Sink 端在兩個 cc pin 上呈現下拉電阻 Rd，對外呈現都呈現低電平。

Type-C to Type-C Cable 上設計一個 cc 下拉 Rd，一個 cc 下拉 Ra。當 Source 端偵測到 cc 電壓變化后，即認為有 Device 接入。

Power Source 端會在 Rd 下拉的 cc pin 上完成后續的 PD 協議通訊，在 Ra 下拉

的 cc pin 上輸出 Vcoon Power。

正反偵測

Type-C 接口規范定義 cc1 pin 接 Rd 后，為正向接入。cc2 pin 接 Rd 后，認為是反向接入。然而實際使用中，無法確定哪個是 cc1 pin 哪個是 cc2，因此正反插都是相對而言。

Power 能力識別

在單純的 Type-C 接口中，即使沒有 PD 通訊，Power Sink 端也可以識別到 Power Source 端的供電能力。

Power Sink 端偵測到 cc pin 上的電壓值，即可判斷出 Power Source 端供電能力。Power Source 端 Rp 取值情況，以及 cc 通訊時電壓如下表。

如下示波器波形，是 Pull High 是 3.3V，聲明 5V@3A 的情況下，cc 通訊時

電壓為，(5.1/(4.7+5.1)*3.3=1.1717V。

Cable 偵測

對于 Type-C to Type-C 的轉接線來說，其內部只有一個 cc pin 用于導通 Host/Device 端的 cc，用于 PD 協議通訊。

對于不含 e-Mark 的 Passive Cable 不存在另外一個 cc pin，內部是斷開的。

對于有 e-Mark 的 Active Cable，另外一個 cc pin 設計下拉電阻 Ra，大小為 800-1200Ω。

當 Source 在 cc pin 檢測到 Ra 時，會在對應的 cc pin 上輸出 Vconn Power 用于給 Active Cable 中的 IC供電，以便 Source 端讀取 e-Mark 中存儲的 Cable 信息。一般來說 Vconn 電壓 2.7-5.5V，功率最大 1.5W。

e-Mark IC 是一個 Support PD 協議的控制器，內部存儲了 Cable 的 Data/Power 傳輸能力。

某些 Active Cable 中還存在 Re-Driver 用于增強高速信號的驅動能力。

數據線配置

在 USB-C Receptacle 接口中，是有兩組 USB2.0 信號的，所以不管 Plug 以何種

方向接入，USB2.0 信號總是正常導通的。但是對于 USB、DP、TBT、PCIe 等高速信號必須用 MUX 芯片完成切換才能正常導通。

以 PS8812 6進4出 MUX 為例，傳輸 USB3.0 信號時。

正插，USB3.0 信號走 Rx/Tx-1。

反插，USB3.0 信號走 Rx/Tx-2。

所以 PD 芯片需要偵測到正反插，然后通過 GPIO 告知 PS8812 切換內部開關，導通 USB3.0 信號。

以 PS8812 6進4出 MUX 為例，傳輸 USB3.0 + DP 信號時。

正插，USB3.0 信號走 Rx/Tx-1，2-Lane DP 走 Rx/Tx-2。

反插，USB3.0 信號走 Rx/Tx-2，2-Lane DP 走 Rx/Tx-1。

所以 PD 芯片需要偵測到正反插，然后通過 GPIO 告知 PS8812 切換內部開關，導通 USB3.0 和 DP 信號。

如下兩種功能需要 PD 協議配合

PD 供電協商

對于 USB-C 接口，由于硬件的設計，連接后默認 Power Source 端只會提供最大

15W（5V@3A） 的供電，而且反向不可再切換供電方向。借助于 PD 協議，USB-C 口在連接后，可以協商供電功方向和供電功率（最大100W，20V@5A）。

AltMode 配置

對于 USB-C 接口，不局限于傳輸 USB2.0 和 USB3.0 信號。還可以借助于 PD 協議配置AltMode，支持 DP、TBT、PCIe、USB4 等協議的傳輸。

常見的幾種連接 Type-C 接口連接

Source Only 和 Sink Only 連接，兩端安照各自 Power 角色繼續工作。

Source Only 和 DRP 連接，當 DRP 的 cc 呈現低電平時，兩端連接狀態建立。

DRP 端按照Power Sink 角色繼續工作。

Sink Only 和 DRP 連接，當 DRP 的 cc 呈現高電平時，兩端連接狀態建立。

DRP 端按照Power Source 角色繼續工作。

當 DRP 和 DRP 連接。按照標準，DRP 的 Rp 和 Rd 是動態切換的，而且變化頻率不固定。因此 DRP 連接后，Source/Sink 是隨機建立的。一旦 Source 和 Sink 確定，各自按照其角色繼續工作。根據需要借助于 PD 協議完成高級的 Power Level 協商和 Power Direction 切換。

USB-C 兼容設計

USB Type-C 作為一個全新的 USB 接口，和 USB Type-A/B 接口是完全不同的設計，兼容性必然是 Type-C 接口需要考慮的問題，主要是電源兼容和 USB 通訊兼容。

Type-C 接口實際使用時必須和當下 Type-A/B 的 Host、Device、Cable 相互兼容，轉接線就必不可少了。USB Type-C 規范針對兼容的轉接線也提出了設計規范。

Type-A 接口設計

本文僅以 USB Type-A 型標準接口對比闡述 USB-C 接口的兼容設計，所以先介紹下 USB Type-A 型接口的電源和 USB 通訊。

對于 USB Type-A 型接口，Receptacle 端必然是 Power Source，Plug 端必然是 Power Sink。對于 USB2.0 接口只有 D+/- 負責 USB2.0 通訊。

對于 USB3.0 接口兼容 USB2.0，D+/- 負責 USB2.0 通訊，Tx/Rx 差分信號線負責 USB3.0 通訊。

兼容 Type-A

USB Type-C 接口為了兼容 Type-A 接口，設計了兩種轉接線。

Type-C Plug 轉 Type-A Plug

如上圖，Type-C Plug 內部設計 Rp，呈現為 Power Source。不管 Type-C Plug 接入 Power Sink 或者 DRP 接口都能作為供電端。

另一端 Type-A Plug 只能作為 Power Sink 連接 Power Source 的 Type-A Receptacle 取電。

上述表格即是 USB Type-C 轉 Type-A Plug 連接線的內部引線順序。

需要注意的是 A5需要通過 Rp 連接至 Vbus。其他未描述引腳全部懸空。

Type-C Plug 轉 Type-A Receptacle

如上圖，Type-C Plug 內部設計 Rd，呈現為 Power Sink。不管 Type-C Plug 接入 Power Source 或者 DRP 接口都能作為受電端。

如此轉接線的另一端 Type-A Receptacle 就可以作為 Power Source。

上述表格即是 USB Type-C 轉 Type-A Receptacle 轉接線的內部引線順序。

需要注意的是 A5需要通過 Rd 連接至 GND。其他未描述引腳全部懸空。

當然除了 Type-C 接口規范中定義的轉接口外，還能見到 Type-C Receptacle 轉 Type-A Plug，原理和上述轉接口類似。