本文探讨了USB Type-C和Power Delivery(简称PD)新的设计规格,并解释与设计Type-C电子标记线缆有关的方方面面。

USB Type-C是最新发布的USB线缆。它是一个简单但却强大的互连标准,旨在增强现有的USB 3.1标准,并解决传统USB存在的一些主要问题,其中包括:

● 固定的插入方向-传统USB线缆必须正向插入。

● 固定的线缆方向-Type-A连接器必须连接上游设备,Type-B连接器必须连接下游设备。

● 较大的连接器尺寸-妨碍超薄工业设计的实现

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图1 USB Type-C:未来的连接器

USB Type-C借助以下增强特性解决上述所有问题:

● 可逆的插入方向:通过单线方向检测从而允许线缆正反插。Type-C不会插错。

● 可逆的线缆方向- 线缆两端的USB Type-C连接器完全相同,因此具备无方向性特点。

● 插头高度仅为2.4mm,可打造超薄工业设计,实现更高的封装灵活性。

此外,USB Type-C还能轻松实现高达100W的低成本供电功能。

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图2 USB供电

USB正从一种能够提供有限电能的数据接口演变为既可以做电源主要提供者同时也可以用作通用数据接口功能。USB供电已从USB 2.0(5V,500 mA)发展到USB 3.0(5V,900 mA),再到电池充电(BC) v1.2(5V, 1.5A),为更多日常设备提供电能。新的USB Type-C规范通过将能电流上限提至3.0Amps,将USB功率升至15W。USB供电(USB-PD)是一个全新规范,旨在通过一条线缆实现更加灵活的供电(最高 100W,20V,5A)和数据传输功能。其目的是允许对笔记本电脑、平板电脑和USB供电型硬盘以及类似高功率消费电子设备进行充电。某些市场制订了基于USB接口的国内手机充电标准,其中包括欧盟和中国。这两个规范可提升手机以外设备的标准化水平。

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图3 USB Type-C可减少线缆缠绕,并提高易用性

跑在 Type-C上的 USB-PD增加了一个通过Type-C信号的边带通信信道,即配置信道(CC)。CC导线既用于USB Type-C VBUS 电力级通知,也用于USB-PD协商与控制。USB-PD使用PD消息完成四个目的,包括:

1)数据包起点(SOP)枚举。

2)VBUS 电压与电流协商。

3)角色协商,三个类型的角色协商也通过USB-PD消息完成,它们包括USB数据、VBUS 电力和VCONN 电力。

4)Alternate Mode枚举、协商与管理也通过USB-PD消息完成。

Type-C 集电力、数据和视频于一条线缆中

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图4 通过Type-C传输电力、数据和视频

Type-C接口包括:

● 支持DisplayPort、PCIe等alternate mode的两组Superspeed USB线路(RX1/TX1和RX2/TX2);

● 用于Alternate Mode的两条Sideband Use(SBU)线路;

● 用于Hi-Speed USB 2.0的Dp和Dn线路;

● 用于总线供电的VBUS线路;

● 用于为线缆控制器供电的VCONN 线路(只位于Type-C插头接口上);

● 用于PD通信的配置信道(CC)。

插头的翻转问题

Type-C插座可处理线缆插头的任意方向。USB Type-C插座完全对称。所有的供电、接地和信号引脚两边对称,从而让USB Type-C插头能够在Type-C接口中任意翻转。

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图5 Type-C可正反插

翻转Type-C插头时(如图5所示):

● GND、USB 2.0和VBUS 信号保持连接。USB 2.0信号被复制到Type-C插座的上下两层,以保持任意方向的连接。

● 插头上的VCONN 或CC引脚可以连接插座中的任意一个配置信道引脚-CC1或CC2 (取决于插入方向)。

● 两条Superspeed线路的其中一条保持正确连接,USB Type-C 插座必须使用SuperSpeed mux合理地进行连接。

如何检测插头方向

USB Type-C规范解释了上行面端口(UFP)如何利用CC引脚CC1和CC2上的下拉电阻(Rd)申报成为一个外设。下行面端口(DFP)需要在CC1和CC2上配备上拉电阻(Rp)。所构成的电阻分压器用于确定Type-C外设是连接还是分离状态;以及Type-C插头的方向,因为线缆中只连接了一个CC引脚 (如图6所示)。

DFP, 尤其扮演USB 数据主机的DFP,通常是指PC等主机上的端口或者设备连接的集线器上的下行端口。在其初始状态,DFP为VBUS 和VCONN供电。UFP是指设备上的端口或者连接DFP的集线器上的上行端口。

Type-C电子标记线缆组件(EMCA)需要使用VCONN 向线缆内部的标记电子元件供电。这些EMCA在Type-C 插头的VCONN 引脚上配有Ra终结电阻器。没有电子标记的Type-C线缆不含电子元件,因此不需要VCONN 供电。这些非EMCA线缆 中的 VCONN 引脚没有固定在Type-C插头。

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图6 Type-C连接/方向检测

Type-C插座CC引脚上的Rp和Rd终结电阻器能够检测连接事件,并识别插座中Type-C 插头的方向。 DFP和UFP监测Type-C插座中两个CC引脚的电压相对于无端接电压的电压变化,以此监测连接事件。UFP还监测VBUS ,是检测DFP连接的另一个指标。DFP和UFP都能从各自连接端识别Type-C插头方向,这是因为线缆中只连接了一个CC引脚。确定连接和方向后,如果检测到 一个Ra 终结电阻器,DFP将把另一个CC引脚更改为VCONN,以便向 USB Type-C EMCA插头中的电子元件供电。

Type-C电力传输

USB Type-C规范允许通过VBUS和接地信号,从DFP 到UFP最多可以传递15W电能。当使用 “纯Type-C”解决方案时,只能使用5V电压传送这15W电能。如果 您为“纯Type-C”系统增加了USB PD规范,您就创建了一个“Type-C PD”系统,可将VBUS电压提至5V以上,最高提至20V,并将VBUS电流最大升至5A。在“纯Type-C”系统中,由DFP和UFP分别供电的Rp和Rd电阻器构成的分压器决定了VBUS电源的电流上限。UFP必须检测这个Rp/Rd 电压分压器电压,并用它来决定从VBUS电源获得的最大电流。这个Rp/Rd 电压分压器电压不是静态的;随着充电生态系统的环境变量不断改变,DFP可以动态改变其电流上限。UFP必须始终监测这个电压,并遵守DFP指示的新的VBUS电流上限。

纯Type-C”解决方案的这个行为-即“DFP指示,UFP遵守”的行为-揭示了“纯Type-C”系统的一个弱点。 “纯Type-C”系统中不存在协商,而Type-C PD系统可双向协商VBUS 电压和电流。通过向一个“纯Type-C”系统增添USB-PD,从而创建一个“Type-C PD”系统,您就能够为VBUS功率协商提供必要的灵活性。

实现USB-PD时,CC导线上承载的USB-PD双相标记编码(BMC)用于实现USB Type-C端口之间的USB-PD通信。图7显示了USB-PD控制器如何连接CC导线,并向其引入BMC信令。图中只显示了一条CC线路(通过线缆连接的线路)。

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图7 USB PD over Type-C

标记芯片如何以电子方式标记线缆组件

一个电子标记线缆组件(EMCA)就是一条USB Type-C线缆,它使用标记芯片向DFP提供线缆的特性。线缆标记是通过将一个USB PD控制器芯片嵌入到线缆的一端或两端实现的 。这些标记芯片由VCONN 供电(或VBUS 供电,取决于具体设计)。VCONN是一个工作于2.7V和5.5V之间的低压轨,但功率被限制在1W。 VBUS 可以是一个高达20V的高压轨。虽然由VBUS 供电的标记芯片具备更大功率的优势,但电压较高的标记芯片也更贵。因此,大多数标记芯片由VCONN供电。

20160725A08 某些EMCA在其中一个桨片卡上配备一个标记芯片,另一些则在两个桨片卡上分别配备一个标记芯片。如果使用了一个标记芯片,则必须在连接两个桨片卡的线缆中增加一根VCONN 导线。此外,必须在桨片卡上进行隔离,以防止两个VCONN同时由电压驱动,在VCONN 导线上发生冲突。设计一个或两个标记芯片的决定应考虑以下成本和收益:

● 如果线缆是一条光缆,两个桨片卡之间没有铜线,您必须将两个标记芯片设计到线缆中。这样,无论插入DFP中的是哪一端,DFP都可以与线缆通信。

● 如果增加一条与线缆同长的VCONN导线以及增加一个用于安全整合两条VCONN导线的隔离电路的总成本高于增加两个标记芯片的成本,您应该考虑增加两个标记芯片。

● 有时候,为了简化制造和库存,在线缆中配备两个相同的桨片卡要比配备两个不同的桨片卡更简单。

从DFP的角度而言,EMCA配备一个或两个标记芯片没有成本或收益问题。DFP以此只能为一个芯片供电,而且只与一个标记芯片通信。线缆控制器存储与线缆ID和能力有关的配置数据。这些特性包括:

● VBUS 导线的额定电流

● 线缆长度

● EMCA的类型:被动或主动

● 线缆两端连接器的类型:Type-C to Type-C、Type-C to Type-A等

● 线缆中控制器的数量: 一个或两个

● 信令类型: USB 2.0、USB 3.1 Gen 1或USB 3.1 Gen 2

● 厂商ID:用于标识EMCA制造商的16位ID

● 用于标识EMCA产品的16位ID

● 对Alternate Modes(如DisplayPort、PCIe)的支持

● 对厂商专有协议(如厂商专有的对接协议)的支持

DFP必须利用USB PD或 SOP* 枚举发现线缆的特性和UFP的功率要求。SOP是一个通配符ID,代表SOP、SOP’和SOP”。这些SOP ID可被视为Type-C多分支连接中的地址。SOP’代表距离DFP最近的EMCA标记芯片。SOP”代表距离DFP最远的EMCA标记芯片。SOP*枚举是建立PD联系的第一步,电子标记只能通过USB PD BMC实现。

何时需要 电子标记?

出现以下任意情况时,Type-C线缆需要电子标记:

● VBUS电流需要超过3A

● 需要USB 3.1 Gen2或10GHz USB

● 需要Alternate Mode

EMCA的类型

USB Type-C 中有两种电子标记线缆组件(EMCA):即被动EMCA和主动EMCA。其中的主要区别是:主动EMCA为SuperSpeed USB提供信号调节功能,如转接驱动器和重定时器功能。

以下是每种配置的一些例子。

被动EMCA:不改变USB数据信号的EMCA就是被动EMCA,可采用两种方式设计:配备或不配备贯穿整条线缆的VCONN 导线。

● 每个插头配备一个线缆控制器的被动EMCA(即每条线缆配备两个线缆控制器)。此时, VCONN 导线不需要贯穿整条线缆(如图8所示)。

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图8 每个插头配备一个线缆控制器的被动EMCA

● 被动EMCA ,每条线缆只配备一个线缆控制器。此时,VCONN 导线将贯穿整条线缆。需要使用隔离元件以便于从线缆的一端的引入VCONN用于向线缆控制器供电(如图10所示)。

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图9 每条线缆配备一个线缆控制器的被动EMCA

主动EMCA:加了一些额外器件比如信号驱动芯片等用于调节USB数据信号的EMCA。这可以实现更长的线缆或光缆。

很多人认为被动EMCA就是不需要电能的线缆,但是实际情况并非如此。被动和主动EMCA都需要某种形式的电能来驱动标记电路。

设计考量

本节探讨设计EMCA时应该考虑的USB Type-C规范中的不同功率要求。

通过USB Type-C线缆提供的VBUS 电能

对通过USB Type-C 线缆提供的VBUS 电能的最低要求与现有USB线缆相同。EMCA可以使用VBUS -而不是VCONN -来驱动线缆电路,因为VBUS 贯穿了整条线缆。配有PD的VBUS支持更高的电压(最高20V)。因此,任何一条含有由VBUS 供电的电子元件的USB Type-C线缆都必须能够承受20V电压。

所有VBUS引脚必须在USB Type-C插头中互连。 全功能线缆每一端的VBUS引脚需要一个10毫微法的旁路电容器(30V的最小额定电压)。该旁路电容器应尽量靠近电源垫。所有GND引脚必须在USB Type-C插头中互连。

对VCONN的要求

VCONN的功能不同于VBUS,因为VCONN 与线缆另一端相互隔离。VCONN独立于VBUS,而且与能够使用USB PD支持更高电压的VBUS 不同,VCONN 的固定为5V。表1显示了所支持的VCONN 范围,以及VCONN源应满足的其它功率要求。

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表1 VCONN源的特性

为了降低VCONN上的功率 ,DFP可以在以下任意情况发生时关闭VCONN :

在一个CC引脚上检测到有效电压后(Rd在该引脚上),未在另一个CC引脚上检测到Ra ;

完成线缆发现过程后,确定不再需要 VCONN ;

线缆发现消息未被线缆响应

EMCA必须向VCONN引脚上的Ra接地层提供一个最大DC阻抗。电容器允许出现±20% 的公差,以便通过EMCA标记芯片中未经调整的片上电容器得到实现。表2列出了对EMCA中VCONN引脚上接地层的阻抗值。

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表2 EMCA终结要求

如果没有VCONN,供电线缆不应妨碍CC的正常工作,其中包括UFP检测、电流宣称和USB PD运行。表3列出了使用VCONN电能的线缆应满足的要求。

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表3 VCONN特性

USB挂起模式下,电子标记线缆从VCONN 获取的电流不应超过7.5mA。

被动EMCA(不含数据总线信号调节电路)从VCONN 获取的功率不应超过70 mW。

主动EMCA(含数据总线信号调节电路)从VCONN 获取的功率不应超过1W。

VCONN供电配件

VCONN供电配件是一个直接附着式UFP,它实现了Alternate Mode,而且能够只使用VCONN进行工作。VCONN供电配件向VCONN引脚上的Ra接地层提供一个最大阻抗。VCONN供电配件应能在2.7V-5.5V VCONN电压范围内工作。

其它设计考量

借助Type-C,一条线缆将具备多个功能,其中包括VBUS配电、USB数据和 alternate mode。alternate mode的一个常见例子是在一个或两个USB SuperSpeed 线路上传输的DisplayPort。电力、数据和图像的这种三合一打造了一个高电力、单线缆、超薄、易用的对接解决方案。为了使这条Type-C线缆同时支持Type-C和USB-PD功能,我们还需要采用其它技术。由于并非所有线缆都具备相同的能力或性能,需要一项USB-IF认证来表明某条线缆满足规范中的所有要求。谷歌、亚马逊等公司已公开表明,USB Type-C线缆必须通过认证,任何未经认证的线缆都会给DFP和UFP带来安全风险。 在发起任何USB-PD供电确认之前,DFP将通过SOP*枚举来确认线缆是否获得了USB-IF认证。

与OEM线缆成品必须通过认证一样,Type-C线缆中的标记芯片也必须通过认证。赛普拉斯半导体公司的CCG2 EZ-PD PD控制器是市场上在首个认证测试日中首款通过认证的标记芯片。

赛普拉斯CCG2 EZ-PD标记芯片的可编程性可让用户轻松编程线缆特性。因为现在不同的线缆中的标记芯片内都植入了不同的厂商自定义信息,这一点变得越来越重要。此外,当最终用户的要求或参数发生变更时,或当USB-IF修改USB Type-C或USB-PD规范时,这个特性也是必不可少的。用户可以使用赛普拉斯的CC引导装载程序技术,轻松地将这些变更重新编程到线缆成品中。

对EMCA应用中的线缆控制器的主要应用级要求包括:

● 支持最新PD规范中定义的USB-PD协议;

● 支持BMC编码的物理层;

● 支持VCONN导线上内置的Ra电阻器;

● 能够使用VCONN电源向芯片供电;

● 支持用于实现每条线缆只配备一个线缆控制器的被动EMCA的内置隔离元件(图10);

● 支持通过断开Ra电阻器达到节能目的;

● 支持CC 和VCONN 引脚上内置的系统级防护;

● 支持引导装载程序,以便随着USB Type-C和USB PD的演进,支持通过CC进行固件升级。

每条线缆配备一个CCG2的被动EMCA

在这种EMCA架构中,其中一个插头中包含一个CCG2标记芯片。这种方法要求一条VCONN 导线贯穿整条线缆,这样一来,无论哪一头连接主机(DFP),芯片都能获得供电。所需的隔离元件内置于CCG2中。有关这种方法和其它方法的详情,请参阅:设计USB 3.1 Type-C线缆。

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图10 每条线缆配备一个CCG2的被动EMCA解决方案

图10描述的是配备CCG2的被动EMCA,这种EMCA架构包含两个CCG2,一个插头包含一个。VCONN信号不贯穿整条线缆,而是终结于每个插头的CCG2。

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图11 每个线缆插头配备一个CCG2的被动EMCA解决方案

图11描述的是配备CCG2的被动EMCA ,该EMCA支持PD。在线缆的两端各嵌入一个CCG2,分别由两端的USB Type-C端口供电。第二个CCG2的存在,使得VCONN不需要贯穿整个线缆。

每条线缆配备一个CCG2的主动EMCA

主动EMCA的主要功能是通过在数据路径上添加一个信号驱动器提供信号调节功能。主动EMCA如需要配置/信号调节功能,可使用USB Power Delivery厂商自定义消息来寻找和枚举线缆属性。该方案需要从 VCONN电源获取连续电能,因此DFP不能关闭线缆的VCONN 供电。

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图 12 每条线缆配备一个CCG2的主动EMCA解决方案

图12描述的是配备CCG2的主动EMCA,其内嵌一个用于延长线缆长度的再驱动。

“设计USB 3.1 Type-C线缆”详细阐述了制造商如何使用CCG2轻松设计被动电子标记线缆组件(EMCA)。“硬件设计指南”提供EZ-PD™ CCG2的硬件设计和PCB版图指南。这些指南有助确保最佳的信号完整性,以及对USB Power Delivery和Type-C规范的全面遵从。赛普拉斯拥有一个广泛的Type-C控制器产品组合(从单Type-C端口控制器EZ-PD™ CCG1、EZ-PD™ CCG2、EZ-PD™ 和CCG3到双端口控制器EZ-PD™ CCG4),此外还提供产品手册、开发套件、应用说明、软件下载、示例项目、演示视频等有用工具。

市场上的很多USB Type-C线缆设计不合理,有可能损坏用户的硬件设备。尤其是由于设计拙劣,很多线缆不遵从USB-C规范,电阻值不正确,导致EMCA消耗过多电能。在为您的新设备购买任何USB Type-C线缆之前,请查一下它是否真的遵从USB-C规范。本文Type-C和PD规范的基本概念,可用作设计全面遵从USB Type-C规范的电子标记Type-C线缆的参考指南。

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