电子阔少

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【原创】带你认识USB Type-C和USB PD

2021-4-11 10:51:51 显示全部楼层
本帖最后由 电子阔少 于 2021-4-11 10:51 编辑

USB接口是一种串口总线标准,它的总线标准规范电脑与外部设备的连接和通讯,USB接口具有热插拔功能,USB接口可连接多种外设,被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,自从1996年出生以来,已经发展很多代了。
今天我们就讲一下距离我们最近的两代USB接口,即USB Type-C和USB PD接口的一些知识,目的想通过这些介绍让大家对新一代USB接口有个全方位的认识,以便今后在设计电子产品或使用USB接口的过程中有所帮助。
USB Type-C介绍
首先我们看一下USB连接器,相信大家对传统的USB线缆都很熟悉,这些常用的传统电缆两端的连接并不一样,通常一端是Type-A口,另一端是Type-B口的连接器,除了机械连接不一样以外,它们在电气功能上也差异。

USB Type-C 1.png 360截图20210411095151435.jpg


上面的两个图中,上图显示的我们常用的Type-A和Type-B的连接器,而下图就是我们今天介绍的Type-C连接器。
可以看到,Type-C两端的看起来是完全一样的。在物理层面上它们是一样的,电气性能是它们也是对等可以装换的,所以取决于连接器插入的末端设备,以及和该设备连接的末端系统可以实现动态的功能转换,一方面可以更好的实现用户体验,Type-C连接器又是相互对称的,可以实现正插和反插,这是传统数据线没有的体验。
当然,我们如果采用的是C to C还是C to A,或者是C to B 的cables线,那么我们就可以Type-C to C 的设备连接到我们原有的系统上,也就是说Type-C是可以支持向后兼容,Type-C还支持非USB模式,及替换模式,比如显示端口DisplayPort.
很显然,通过采用Type-C端口的设计,我们可以把所有的功能用到一个端口上面,从而减少笔记本或者是便携设备上端口数量。
Type-C的连接器,不管是USB2.0或者是USB3.1,或者是DisplayPort口,它们的大小都是一样的,这样不同于Type-A或者Type-B的接口,这两种类型,它们3.0的接口,尺寸都会比2.0的尺寸大很多,对于供电类的应用场合来说,USB端口连接后需要反复的插拔,反而固定的机械连接更为需求的。在这种场合,我们更需要Type-C的连接器进行可靠的连接。
360截图20210411095724174.jpg


下面的图是从左到右显示的USB Type-C的插座,电缆,以及插头,全功能的线缆线中,有18根线,而配备基本的功能里面,只需要6根线就可以了


360截图20210411095331837.jpg


下面的是USB Type-C的机械外观图

5.png

下图是USB Type-C引脚定义


USB Type-C 6.png


从引脚定义我们看出,在引线的四个拐角是接地的引线Cable Groud,为绿色,红色的是供电引脚 Cable Bus Power引脚,为红色,可以看到它们都是彼此对称的。然后是USB2.0的数据线USB2 Data,D+和D-为蓝色,它们四个引脚互相对称放置,但是我们只需要2根线是穿过电缆的,这样就能保证无论是哪个方向插入都能正常的工作。
USB Type-C 7.png



然后是高速数据线,High Speed Data,USB SS,SS+ TX or DP Alt Mode和High Speed Data,USB SS,SS+ RX or DP Alt Mode,它们也可以用显示端口的替换模式,它们也彼此相互对称的,CC1和CC2是配置通道,用来配置线缆的插入方向以及角色的检测和电流的配置。当插入有效的电缆时,CC1和CC2的中的一个会根据需要变成VCONN,给带有标签的线缆或者是音频适配器所需的电源,之后,还有两个SBU的引脚,它们在替换模式中暂未用到,USB未来规范可能定义这两个引脚用于其他的用途。

2021-04-11_10-16-28.png

简单来说,USB Type-C是讨论是连接器的物理部件,并且识别哪种设备是连接在一起的检测是什么时间连接的,它可以独立于USB PD单独存在。

下面说下USB Power Delivery(简称USB PD)介绍
为什么会有USB Power Delivery,它的优势在哪里?
我们来看一下,如下图,USB2.0,USB3.1,已经USB BC1.2,它们提供的最大功率也就是5V1.5A,7.5W,而可以通过USB Type-C可以使得最大功率5V@3A,15W的功率,相比之下,有一定的提高,但没有本质上提高,而通过USB PD就可以把输出电压提升达到20V,输出电流可达5A,也就是可以通过USB PD可以使得功率达到100W的功率等级。

2021-04-11_10-21-37.png


有了USB PD可以联想到把USB的功能进行拓展,我们可以用它来给显示器、电视机等大型的电子设备进行供电,这些是在USB PD之前不可想象的。
2021-04-11_10-22-18.png


下面是关于更多的USB PD的细节介绍
首先看一下如下图,是把USB PD的输出的电压种类和输出的种类函数关系介绍,USB PD提供4种电压,5V、9V、15V和20V。
360截图20210411103421680.jpg

那如果一个端口的功率超过27W,那么,我们可以在5V和9V的基础上还必须提供15V的电压,同样的,如果需要提供45W的功率输出,就需要提供20V的电压,当负载的输出功率超过60W时,也就是说输出功率电流超过3A,我们需要带有标签eMarker的电缆,以保证能够提供5A的电流输出,通过使用带有电子标签的电缆,可以把输出功率达到100W。

360截图20210411103615570.jpg


为什会使用USB PD,它会带来什么功能?
1,它提供了更高的输出电压,能达到20V,能提供5V、9V、15V已经20V的电压,来满足绝大部分负载的需求
2.它通过USB cable的数据线,可以到达100W的功率等级
3,USB PD的线缆传输使得USB的供电传输那一端使用供电端,那一端是受电端,两者的协商称为可能。同时,它也可协商那一端是DFP,那一端是UFP。因此数据角色和电源角色可以在线缆的两端互相进行交换。
4.USB PD可以进行有效的功率管理,可以合理分配功率到每个端口
5.USB PD可以带有冷插座的功能,即如果说外接端没有外接设备,不会在插座端看到5V输出设备。另外USB PD可以通过USB C转A或C转B的cable线,以现有的判断USB是否兼容。
5.替换模式,

下面是使用USB PD典型的流程

360截图20210411103814380.jpg

VBUS初始的电压是5V,500mA,当USB电压通过CC线进行协商后,可以装换成最终的目标,比如9V,15V或者20V。
也就是说USB PD的数据线角色和电源角色是相互独立的。下面是USB Type-C的生态矩阵进行一下解读。
2021-04-11_10-42-13.png


图中,纵轴是数据角色,首先是这些没有任何数据的应用,比如墙插属于NO Date,它仅仅提供功率,没有涉及任何数据交换,然后是主机,或称DFP,它们的功能是把就是数据传递给显示器。
最下面是 Device的 UFP,如监视器,TV等,它们作用是接收数据,在DFP和UFP中间,是DRD,它的角色却绝于想把它连接到什么设备,比如上传文件到手机,或者将手机内容投递给显示器上。
然后看水平轴,显示的是功率的角色,同样以墙插为例,它永远供给电源,称为Source-Only,,另外一端是纯吸收电源,如移动硬盘,USB的供电设备。
横轴的两端,要么是单纯的供电,要么是单纯的消耗电源。横轴上中间位置也有DRP,Powrer Bank,典型的例子是移动电源,充电宝,一种情况下给其他供电,另外一种情况它还需要充电消耗消耗电源,因此是DRP双向供电。

2021-04-11_10-41-26.png


所以我们通过USB Type-C的生态矩阵可以看到USB Type-C和USB PD的使用非常广泛,可以有非常多的应用。

以上是梳理了USB Type-C和USB PD的一些东西,希望能对大家有用。







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二哲科技

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二哲科技 2021-4-11 15:34:25 显示全部楼层
感谢分享经验,感觉还不错~

点评

谢谢二哲版主 有关USB PD的接口未来应该有大的发展空间  详情 回复 发表于 2021-4-11 22:56

电子阔少

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电子阔少 2021-4-11 22:56:17 显示全部楼层
二哲科技 发表于 2021-4-11 15:34
感谢分享经验,感觉还不错~

谢谢二哲版主
有关USB PD的接口未来应该有大的发展空间

小小毛

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小小毛

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流浪小子 2021-4-14 18:55:52 显示全部楼层
现在快充协议不只一种吧,不知后面谁会一统江湖

SnailWillow

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电子阔少 2021-4-14 23:27:17 显示全部楼层
流浪小子 发表于 2021-4-14 18:55
现在快充协议不只一种吧,不知后面谁会一统江湖

这种插口上的USB PD(快充协议显得日渐普及,苹果手机选择的就是这种充电科技。

电子阔少

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电子阔少 2021-4-14 23:30:45 显示全部楼层
电子阔少 发表于 2021-4-14 23:27
这种插口上的USB PD(快充协议显得日渐普及,苹果手机选择的就是这种充电科技。 ...

目前的PD快充已经越来越小巧,就算是可以为笔记本充电的65W款式也显得颇为小巧精致。基于PD快充科技的充电器都是采用这种C插口作为输出形式,它的输出电压最高可达20V,能量输出最大可达100W,插口定义也超越了前面主要只有四根线路的USB插口设计。
360截图20210414232824050.jpg
除了PD和QC快充以外,三星的AFC快充协议主要是满足三星手机和设备的充电而设置


同样作为普通消费者来说,日渐整齐统一的PD快充协议,减少了我们选择充电器,充电线路,充电宝,车充的烦恼。

电子阔少

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电子阔少 2021-4-14 23:31:13 显示全部楼层
流浪小子 发表于 2021-4-14 18:55
现在快充协议不只一种吧,不知后面谁会一统江湖

华为新款的一系列C插口手机也都兼容PD快充模式

电子阔少

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电子阔少 2021-4-14 23:32:00 显示全部楼层

主流的各种数码设备以及手机款式来看,都以及或多或少的是加入或者兼容了PD快充协议的充电方式。
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