标签: USB3.1

USB是目前PC上最成功的接口标准，而USB3.1是其最新版本。 在USB3.1的标准里，革命性地融合了3种最新的现代科技技术，分别是：数据速率从5Gbps提高到10Gbps；TypeC接口实现PC外设接口的统一；Power Delivery技术实现更智能强大的充电能力。 下面简单分别介绍一下。  数据速率提升到10Gbps： USB接口的标准最早是上世纪90年代推出，数据速率为1.5Mbps（Low Speed），后来提高到了12Mbps（Full Speed），在2000年又提高到了480Mbps（High Speed），从此开始了USB接口一统PC外设接口的时代。到2008年时，面对大量数据传输的挑战以及eSATA的竞争，USB协会又推出3.0标准，把接口速率提高到了5Gbps，目前在PC及移动硬盘上已经普及。由于原先的USB2.0的信号线缆以及芯片的限制已经不能实现从1.5Mbp到5Gbps这么大跨度范围的信号传输，所以USB3.0是在原来的USB2.0的接口上另外增加了2对高速的差分线，采用类似PCIe那样的预加重、均衡和8b/10b编码技术。到2013年时，随着对于数据传输速率要求的进一步提升，USB协会又通过3.1标准的推出把数据速率提高到10Gbps，同时采用了效率更高的128b/132b编码方式。不过随着速率的提高，除了芯片做的更加复杂以支持链路协商和克服损耗以外，能够支持的电缆的最长长度也从USB2.0时代的5米降到了USB3.0时代的3米，到USB3.1时代就只有2米了。  TypeC统一了PC外设接口： 对于USB3.1标准推出来说，最让业界兴奋的还不是数据速率的提升，而是对TypeC接口的采用。目前使用的USB接口主要为扁形的A型口和方形的B型口，以及在手机等移动设备上广泛使用的的MicroB的接口。而TypeC接口的推出真正改变这一切。TypeC之所以引起业界的关注和积极采用主要因为几个原因：更轻、更小，适合手机、PAD、笔记本等轻薄应用，同时信号的屏蔽更好；采用类似苹果Lightning接口的正反插模式，正反面的信号定义是对称的，通过CC1/CC2（Control Channel）管脚可以自动识别，用户可以不区分方向盲插拔；正常情况下，根据插入的是正面还是反面可以用TX1+/TX1-/RX1+/RX1-或者TX2+/TX2-/RX2+/RX2-这两对差分线进行USB3.1的信号传输，但如果支持Alt Mode，则可以四对差分线一起传输用来支持Displayport、MHL、Thunderbolt视频或存储格式信号输出，并通过SBU1/SBU2（Secondary Bus）管脚来实现Alt Mode下一些低速视频控制信号的传输；支持更智能、灵活的通信方式，通过CC1/CC2的上下拉电阻设置可以区分主机（DFP接口：Downstream Facing Port）还是外设（UFP接口：Upstream Facing Port），也可以通过CC管脚去读取外设或电缆支持的供电能力。下图是TypeC接口的信号定义以及和传统USB接口的比较。  Power Delivery技术实现更智能强大的充电能力： 即插即用、数据传输与充电合一是USB接口的的一个重要特征。在USB2.0时代，USB接口可以支持2.5W的供电能力（5V/500mA），到USB3.0时代提高到了4.5W（5V/900mA），但这样的供电能力对于笔记本或者一些稍大点的电器供电都是不够的，而且由于一些产品的质量问题，也出现过由于充电过程中起火烧毁的事故。为了支持更强大的充电能力，同时避免安全隐患，USB3.1标准中引入了Power Delivery的协议（即PD2.0协议），一方面允许更大范围的供电能力（比如5V/2A、12V/1.5A、12V/3A、12V/5A、20V/3A、20V/5A），另一方面会通过CC线进行PD的协商以了解线缆和对端支持的供电能力，只有通过协商成功后才允许提供更高的电压或工作电流。下图是PD协商的原理，以及实测到的一个被测件插入过程中通过CC协商后把输出电压从5V提高到20V的信号波形。 在对USB3.1 TypeC接口的设备进行信号质量测试时，有很多项目需要测试比如眼图、抖动、SSC等，不同的测试项目需要被测件发出不同的测试码型，但是如何完成码型的切换呢？ 首先，我们要知道TypeC的接口是双面的，也就是同一时刻只有TX1+/TX1-或者TX2+/TX2-管脚上会有USB3.1信号输出，至于哪一面有信号输出，取决于插入的方向。 如下图所示，缺省情况下DFP设备在CC管脚上有上拉电阻Rp，UFP设备在CC管脚上有下拉电阻Rd，根据插入的电缆方向不同，只有CC1或者CC2会有连接，通过检测CC1或者CC2上的电压变化，DFP和UFP设备就能感知到对端的插入从而启动协商过程。 在信号质量的测试过程中，由于被测件连接的是测试夹具，并没有真实的对端设备插入，这就需要人为在测试夹具上模拟电阻的上下拉来欺骗被测件输出信号。对于DFP设备的测试，需要模拟对端Rd的下拉；对于UFP设备的测试，需要模拟对端Rp的上拉。根据使用的测试夹具不同，其设置上下拉的方法也不一样。 如果使用如下图所示的USB协会的TypeC测试夹具，其套件包含16块不同功能的夹具，要区分使用的是做Host测试夹具还是Device测试夹具，其上面的跳线和上下拉设置情况也不太一样。 而如果使用的是示波器厂商提供的通用TypeC测试夹具，如下图所示，其夹具本身不做Host或Device的区分，而是通过低速控制器来设置是上拉、下拉还是开路。低速控制器的状态可以通过软件来配置。 接下来我们来看一下在USB3.1的TypeC测试中如何使被测件发出测试码型。根据USB3.1的LTSSM（Link Training and Status State Machine）状态机的定义（如下图所示）。 在通过上下拉电阻检测到对端插入以及检测到对端的50欧姆负载端接后，就进入Polling协商阶段。在这个阶段，被测件会先发出Polling.LFPS的码型和对端协商（LFPS的测试后面我们还会提到），如果对端有正常回应，就可以继续协商直至进入U0的正常工作状态；但如果对端没有回应（比如连接示波器做测试时），则被测件内部的状态机就会超时并进入一致性测试模式（Compliance Mode），在这种模式下被测件可以发出不同的测试码型以进行信号质量的一致性测试。 在一致性测试模式下，被测件可能发出16种不同的测试码型以进行不同项目的测试，比如CP0~CP8是5Gbps速率的测试码型，CP9~CP16是10Gbps速率的测试码型，CP0和CP9用于眼图测试，CP1和CP10用于随机抖动测试等。刚刚进入一致性测试模式时，被测件会停留在CP0状态，如果收到Ping.LFPS的码型输入，就会切换到下一个测试码型，依次往复循环。Ping.LFPS是频率大约几十MHz的低速的脉冲串，可以借助于函数发生器、码型发生器或者误码仪等设备生成，下图是用示波器捕获到的被测件接收到Ping.LFPS的脉冲串并进行码型切换的例子。 除了5Gbps和10Gbps的正常信号的测试，在信号质量的测试中还需要对SCD1（Superspeed Capability Declaration 1）、SCD2（Superspeed Capability Declaration 2）和LBPM（LFPS Based Pulse Width Modulation Messaging）的信号波形进行测量。 在USB3.0的时候，只有统一的LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信号（如下图所示），用于上电阶段向对方声明自己支持USB3.0的能力。LFPS是特殊的低速脉冲串，其宽度和周期分别代表不同含义，用于总线的控制，因此其时间和幅度参数的准确性对于系统工作非常重要。 在USB3.1的标准里，进一步扩展了LFPS信号的功能，它不再像USB3.0里那样使用等间隔周期的脉冲串，而是用脉冲串间隔的宽窄编码来代表不同的含义，最典型的就是SCD1和SCD2信号。 在USB3.1的设备上电阶段，会先发出SCD1的信号，如果对端有SCD1的信号回应，则会进入下一阶段发出SCD2的信号；如果对端再有SCD2的信号回应，则会又进入下一阶段用LBPM信号进行链路速率和其它参数的协商。下面两张图分别显示了SCD1到SCD2信号的切换，以及SCD2到LBPM的信号切换过程。 因此，在测试中，如果要进行SCD1以及后续的SCD2、LBPM等相关参数的测试，就也需要一台信号发生器能够发出SCD1、SCD2甚至LBPM的信号和被测件进行交互，以欺骗被测件进入后续的状态，这台信号发生器可以使用和前面做一致性码型切换一样的设备。

虽然还未规模普及，但USB Type-C似乎已经大热了起来。终端厂家似乎也已到了考虑为手机、笔电等设备配备USB Type-C端口的阶段。今天小编不想谈“单电缆”高大上的技术性能、令人兴奋的市场应用前景，只希望默默为开始考虑USB Type-C端口控制设计的工程师们再添一种方案选择，一种来自ASIC和FPGA的选择。 该方案来自于莱迪思半导体公司，莱迪思日前宣布推出三款全新的端口控制器——SiI7012、SiI7013和SiI7014，扩展其USB Type-C端口控制产品系列。加上早先发布的产品，莱迪思的USB Type-C解决方案系列就包括5款ASIC芯片（SiI7012、SiI7013、SiI7014以及Sil7023、Sil7033）以及2款FPGA方案（UC110和UC140），这些芯片间究竟如何选择，分别可满足哪些应用场景将会是本文想探讨的重点。 对于PD协商的两类方案权衡 我们知道，USB Type-C端口控制器主要用于配置互连中的USB Type-C上行端口（Upstream Facing Port, UFP）或下行端口（Downstream Facing Port, DFP），提供侦测线缆方向以及供电（Power Delivery, PD）协商。 对于电力传送过程中需要的协商机制（PD协商）架构，通常有两种方案（图1）。据莱迪思半导体产品市场部高级经理孙群乐介绍，第一种架构就是说把顶层的协议放在MCU，或AP里面去。那这种模式的好处在于成本会节省一点，如果设备本身已经有MCU的话就不必再自带MCU, 这样的话成本会比较便宜。另外，对于软件的升级，Type-C协议还在不断完善中，它的很多的协议的升级可通过AP升级，这样来说要方便一些。第二种架构指的是一个单芯片的CC/PD结构，全部协议集合在一起。它的好处是一致性比较好，所以执行上会好很多，带来的劣势就是成本上升的可能性。另外更新的话，没有像自带AP的更新那么方便。已有一些厂家所推出的带MCU架构的端口控制芯片产品，就主要用于诸如充电器或适配器(Dongle)产品中。所以这是针对两种不同的需求和市场，所做出不同的PD协商机制。 图1：PD协商架构的两种方案 关于两种方案的设计环境和应用，目前大部分消费类终端应用趋向于第一种，因为毕竟像手机等应用已经有AP了，比如高通或联发科，已经有很强的数据流就不需要再带一个MCU，所提供相关的软件可以进到AP里，AP升级的时候带着Type-C协议升级，这是比较理想的方式。莱迪思推出的芯片也主要是基于第一种架构。 对于视频传输（图2），USB Type-C连接器有24 Pin，虽说上下两边是对称的，但24 Pin里电源和接地就各占了4个，其次D+和D-是一定要有的，因为必须要和以前老的产品兼容。另外还有10个pin是可以根据不同的Alt Mode，如MHL, DisplayPort和Thunderbolt，来重新定义的。对此孙群乐特别介绍道：对于USB3.1数据支持，Type-C是可以支持USB 3.1的，这本来就是Type-C定义之所在。但问题在于AP这块有没有USB3.1的输出？如果有，就可以支持，但如果AP计划上没有USB 3.1，就只能进行视频输出而不能传输USB3.1数据，所以这完全取决于AP端的情况。对于PD计划，可提供5伏、12伏，20伏电压的支持，按照50毫伏的级差往上增加调节。电流也按照10毫安的级差往上增加。这主要还是根据不同的用户定义来对它进行电流和电压的输出。最后一点比较特殊，莱迪思可以提供对特别配件认证的支持，比方说用户有特别的一些要求要做一些认证，莱迪思可以做唯一化的配件支持。 图2：USB Type-C的Alt Mode 下一页： 7款不同方案的应用选择与助益 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 7款不同方案的应用选择与助益 图3是莱迪思目前提供的7款USB Type-C方案及应用场景。最新发布的系列，包括Sil7012、Sil7013、Sil7014，与早先发布的Sil7023、Sil7033一样是ASIC方案。 对于这几款方案的差异与选择，孙群乐表示：Sil7023和Sil7033主要应用在智能手机中，Sil7033也可以应用在纯USB的传输，但因为它们里面带了MHL视频开关，所以这两款用在手机视频传输是最合适的。其中，Sil7033不但可以支持MHL，也可以支持就是USB3.1通过Type-C的传输，其应用会更广泛一些。 最新的Sil7012、Sil7013和Sil7014是没有开关模块的，只有CC/PD PHY，所以会更适合有些手机可能不需要视频输出，只需要正反插，或是数据传输，那就只需要CC/PD PHY，这是最简洁的一个方案。其中Sil7012和Sil7013的区别在于：Sil7012是一个CSP的封装，尺寸小（1.9x 1.9mm），特别适合空间限制的手机，这对有些竞争对手的同类方案是有所优势的。Sil7013的封装会大一点，3x3mm封装，也可应用在平板或笔记本电脑。另外对于一些Dongle的应用，对PCB板要求没那么高，板层会比较少，如果选择Sil7012的话，因为芯片是CSP封装，要求非常高。所以会提供一些成本比较低廉，同时较易于布线的方案，也就是就Sil7013。 Sil7014芯片的特点是，可以支持DisplayPort的Alt Mode，所以会在笔记本电脑应用更多些。至于需不需要额外配超高速开关，主要看笔记本电脑里的CPU有没有把USB的PHY和DP的PHY 结合在一起，如果结合在一起了，就不需要配了。 图3：7款USB Type-C方案差异及应用场景 右边两款是FPGA的芯片，UC110和UC，主要针对充电器和dongle应用，在充电器和dongle这两块有很多定制化的要求，FPGA可以让定制化更合适。莱迪思可以根据客户的不同的需求提供一些比较完整的CC/PD协议栈。如果是对比较特殊的电压和电流输出的要求，可以通过VDM来实现。如果客户需要定制化接口，FPGA的优点就在于它的灵活性，能根据客户需求提供接口。我们的方案也支持像高通主推的一些电路充电模式，也包括传统意义上的BC1.2充电模式。所以既可以支持一些现有的市场主流的电流充电模式，也支持一些老的充电方式，同时也可以支持Type-C出来之后的一些新的充电模式，兼容性会比较广泛。 上述的莱迪思方案都支持Type-C 1.1规范，这是目前业界最领先的规范。同时，在今年的下半年，整个Type-C兼容性测试规范，应该会最终推出。在这之前，莱迪思已经过了多轮的Plugfest test互操作性测试，以确保其方案和别家的Type-C方案兼容，这样客户用起来就不会有太多的兼容性的担忧。 此外莱迪思的方案非常完整，在手机、笔记本电脑、充电器、显示器、平板里面都有很广泛的市场应用前景。莱迪思也会提供支持性的文档、代码给客户，包括原理图、BOM、FPGA位流文件、可以放进AP/CPU里面去的源代码等。 对于莱迪思在Type-C市场的主要优势，孙群乐总结道，“莱迪思希望提供给客户的是基于快速设计的方案，FPGA的方案其实很早就出来了，等客户定义确定后，会有很多的ASIC方案提供给客户，以针对不同的需求。我们提供给客户源代码、开发板（图4），同时还有一些全球的技术支持，以及快速的响应速度。第二，莱迪思希望提供高效的设计。这次提供的是低成本的CC/PD PHY方案，并没有把MCU集成进去，所以方案在成本方面比较有竞争力。同时，针对应用需求，可添加USB3.1 的高速switch，并做一些Alt Mode支持。同时，莱迪思的方案功耗会很低，与业界同类相比，低于150μW的功耗非常有优势。莱迪思器件都基于小尺寸封装，周围的元器件非常少，大概只有七、八个周围器件（包括一些电阻和电容），所以是一个非常简单的设计。第三点是设计灵活性。可以根据不同需求，提供CC/PD 完整协议栈给客户，也可以提供仅使用CC/PD PHY的方案。也可以给客户提供客制化的电源电子接口、全面的Alt ModeVDM支持、以及额外的电源协商支持。另外需要强调的是Type-C的规范正在完善中，还没有最后确定，所以在这种情况下我们提供一部分的ASIC方案，再带一部分的FPGA的话，有利于帮客户解决所遇到可能的问题。所以这是我们灵活性最大的优势。（EDN China 麦迪） 图4：莱迪思所提供的源代码、开发板等资源 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载。 㙯

USB作为历史上最普及的外设接口，已经历USB1.1、USB2.0、USB3.0的变迁，速率也从12Mbps提升到480Mbps，之后又跃升至5Gbps，而作为现在最新的技术USB3.1，其速率已经达到10Gbps。在设计上，其物理层和协议层都有显著的变化，因此必然引起测试技术和方案的变化。安捷伦作为测试领域第一大厂家，USB认证测试实验室的关键供应商，将通过本场在线研讨会和大家讨论最新的USB3.1的技术变化，以及安捷伦科技有哪些测试方案，尤其是发射端、接收端，以及电缆等测试技术及方案。 这里是刚刚举办过的USB3.1的最新技术及测试方案的研讨会资料，欢迎大家下载。 http://www.chinawebinar.com/landing/200011.HTM