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这是我们两篇博客系列的第二部分。在第一部分中，您学习了 USB-C 引脚、配置通道和电源分配。 让我们继续通过您已经学到的知识分析现实世界的示例，然后我们将以分析USB-C上的数据信号来结尾。 在跳进现实案例之前，让我们快速回顾一下电阻设置以及DFP设备（主机）在连接不同电阻时检测CC引脚时可能检测到的状态： 简单的电源输送 USB-C Configuration Channel CC1 CC2 State Cable Orientation Open Open Nothing attached N/A Rp Rp Another DFP / No action N/A Rd Open Sink Attached Normal Open Rd Inverted Open Ra Powered cable without Sink attached Normal Ra Open Inverted Rd Ra Powered cable with Sink, VPA* or VPD** Normal Ra Rd Inverted Rd Rd Debug Accessory Mode Attached N/A Ra Ra Audio Adapter Accessory Mode Attached N/A *VPA - Vconn-Powered Accessory **VPD - Vconn-Powered USB Device 电源输送 - 输出示例 现在，您可以查看一个真实的工作案例 ，一个双重角色的 USB-C 端口，可以为连接设备提供电源。 Simple USB-C dual role port 本节摘自Verdin开发板，使用了TUSB321芯片来处理配置通道和VBUS中的功率切换芯片。CC连接的芯片检测线缆的方向和电源输入设备的存在（请参见上面的表格）。然后，它将检测到的状态告知给Verdin模块，该模块控制功率切换芯片。根据引脚状态，TUSB321可以宣布不同的最大输出电流级别（0.5 / 0.9A，1.5A和3A）。功率切换芯片（IC4）的电流限制需要相应调整。 The block diagram for the TUSB321 在 TUSB321 中，您可以看到 CC 引脚切换到下拉电阻，并且可配置上拉电阻。这种方式使您的设备可以用于 UFP、DFP 和 DRP 配置 ，由 PORT 引脚控制 ，并可配置以宣布其电源传递能力 ，这由 CURRENT_MODE 引脚控制。由于 TUSB321 仅使用上拉电阻来宣布端口的电源能力，因此它只能宣布最大为5V和3A（15W）的电源。对于更高的电压，需要使用高级电源传递配置芯片。 电源输送 - 输入示例 您还会发现查看电源汇输入设备示例很有帮助。 USB-C power sink 本节内容适用于我们的Dahlia 载板，该板具有一个能够进行总线通信的芯片（IC23）。因此，这种解决方案可以协商获得具有高于5V和大于3A的电流的功率配置。连接到CC引脚的芯片具有内置的EPROM，其中包含三个配置。这些信息通过CC总线进行通信，并由可用匹配配置的电源输出设备使用。当两个设备都同意一个相互可用的配置时，VBUS被切换，设备可以从总线上开始消耗电力。 原理图还提供了一个选配的充电器检测器芯片（IC22）。通过检查D+和D-数据信号是否短路在一起，IC22可以检测到传统充电器。如果USB电源输送协商成功（IC23）或接入USB Type-A充电器（IC22），则启用总线电源（IC20），并且载板可以开始启动模块。如果未检测到充电器或USB-C电源输送端口，则系统将不会启动，因为不被允许从端口吸取超过5V / 100mA的电流。 数据信号 USB-C 接口相比以前的接口，具有更多的数据信号引脚，这一点值得注意。 作为回顾，让我们来看看 USB-C 可用的数据信号引脚： 两条 Super-Speed 信号通道——TX 和 RX 对。 对称的 D+ 和 D- 信号对（只在设备端冗余）。 两个 Sideband Use（SBU）引脚，用于其他模式下的特殊功能。 USB 2.0 Mode USB 2.0的D+/D-引脚在插座上是对称的，这意味着不需要识别插入的电缆的方向，也不需要多路复用器来切换信号。 USB 3.X Super-Speed Mode 为了充分利用USB-C的 Super-Speed 信号功能，必须使用多路复用器以及使用CC引脚进行正确的电缆方向检测，如第一篇博客所解释的那样，以便多路复用器能够得到正确的控制。这是在使用双路或单路配置时确保使用正确的通道所必需的。 现实情况中的案例 让我们看看实际的案例，以了解它们是如何联系在一起的； High-Speed UFP 使用USB-C的最简单的配置是作为上行面向的高速端口设备。 USB-C Client 使用CC引脚的下拉电阻和D+ / D-引脚，所示电路是Micro Type-B连接器的简单替代品，完全符合USB-C标准。它可以用于鼠标和闪存驱动器等设备。 High-Speed DRD 可以使用下图所示的配置替换OTG，该配置来自我们的Verdin开发板，在分析USB-C电源输出源时曾在本博客文章中出现过。 High-Speed DRD CC引脚和已经解释过的检测过程用于定义设备的角色，即作为DFP或UFP，以及 D+和D-引脚被用作 Data Signals 和之前示例相同。 在这里使用没有 Super-Speed 引脚的连接器是一个好的做法，否则会可以大大增加引脚密度，增加PCB布线的工作量。 Super-Speed DRD 在我们的Apalis 载板参考设计中，您可以看到USB-C的更高级用途。 USB-C Super-Speed 当向您的USB-C应用添加 Super-Speed 功能时，如前所述，所需的多路复用器用于将 Super-Speed 信号连接到电缆的正确一侧，这可以简单地由同一个 TUSB321芯片控制。 在这个设计中，使用了一个技巧来简化布线过程：CC引脚被反转，因此用于控制多路复用器的信号也被反转，简化了多路复用器周围的布线。 笔记本电脑示例 现在，让我们来看一个来自笔记本电脑应用的完整功能示例。 Laptop USB-C implementation Source:https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PTN5100.pdf 在这个设置中，笔记本可以充电或为UFP设备提供电源，包括通过专用IC（PTN5100）进行电源协商和可同时使用的显示端口功能。请注意矩阵切换器IC，它可以连接来自CPU图形部分的视频信号和南桥的 Super-Speed 信号。 让我们更仔细地看一下使用USB-C和显示端口配置的可能性。您可以在下面的图像中看到其中一些选项： b Display port configurations 重申一下，DisplayPort最多可以使用4个通道，但也可以使用1个或2个通道。每个用于 super-speed 信号的双向通道（TX/RX对）可以容纳2个DisplayPort通道，因为它的通道是单向的。因此，如果您只使用2个DisplayPort通道，则可以在剩余的双向通道中与 super-speed 信号结合使用。这也意味着在DisplayPort中使用高分辨率（使用4个通道）时，您只能使用 D+和D-引脚的 USB 2.0。 陷阱 让我们看看一些错误，这些错误可以通过严格遵循标准来避免。 Rasp Pi 4 USB-C circuit Source:https://datasheets.raspberrypi.com/rpi4/raspberry-pi-4-reduced-schematics.pdf 在树莓派4的第一个版本中，CC引脚共用了同一个Rd电阻，这导致它们被短接在一起。当使用被动线缆（无标记芯片）连接时，DFP设备只能在一个CC引脚上检测到Rd，因为只有CC1 在线缆中被连接，这导致UFP设备可以正常工作。对照表格进行查看： CC1 CC2 State Cable Orientation Rd Open Sink Attached Normal Open Rd Inverted 然而，让我们看看当它连接到一个在 CC2 两端都有Ra电阻的主动USB-C线缆时会发生什么： Resultant configuration with marker cable 在DFP设备端，CC2引脚检测到Ra电阻，CC1引脚检测到并联于电缆另一端的Ra电阻，由于Raspberry Pi板上的CC1和CC2引脚短接而引入的Rd电阻。这种并联配置导致形成了836欧姆的电阻，其在Ra电阻的允许值范围内。如果你仔细检查一下表格，你会发现这导致了检测到音频适配器的状态，使板子无法获得电源。 CC1 CC2 State Cable Orientation Ra Ra Audio Adapter Accessory Mode Attached N/A 通过介绍基本的USB-C概念，你现在了解了它所带来的可能性、限制以及使用其资源的基本设置。 更详细的信息可通过下面的链接获得，如果你需要设计载板方面的帮助，欢迎给我们留言。 参考链接 Official USB Specifications https://www.usb.org/documents Wikipedia articles https://en.wikipedia.org/wiki/USB-C https://en.wikipedia.org/wiki/USB_3.0 https://en.wikipedia.org/wiki/USB Short USB-C and Power Delivery Guidehttps://microchipdeveloper.com/usb:type-c Easy to read USB 2.0 - the basic about enumeration and the protocol https://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml Toradex Design Guides https://docs.toradex.cn/108140-verdin-carrier-board-design-guide.pdf https://docs.toradex.cn/101123-apalis-arm-carrier-board-design-guide.pdf

B y Toradex Peter Lischer ​ 本文是双篇文章系列的第一部分，旨在帮助您理解并实现在您的下一版电路板设计中使用USB-C。您将学习以下内容： USB-C端口的引脚及其在不同配置中的用途 USB-C电缆可以随意更换方向，无论是正面还是反面 同一设备如何在主机和客户端之间切换 USB-C的供电方式 DRP、DRD、UFP和DFP等新术语 主动和被动USB-C电缆之间的区别以及适配器电缆的工作原理 现在从以下内容开始。 USB 标准和连接器 USB最初发布于1996年，旨在标准化外围设备与个人计算机之间的连接，目前已经经历了四个主要版本：USB 1.x、USB 2.0、USB 3.x和USB4。自那时以来，该标准替换了不同的接口，例如串行和并行端口。它确保设备具有自我配置和供电能力等有用功能。在USB标准的演变过程中，使用了不同的连接器，如下表所示： USB连接器与USB标准 - 不同标准及每种连接器引入时间 USB-C 连接器 如表所示，USB-C似乎只是标准中的一种连接器。然而，请注意它替代了从USB 3.2开始的所有其他连接器 此外，请注意在USB-C之前的连接器被分别应用于主机端（type A 和其 mini/micro 变体连接器）和客户端（type B 和其 mini/micro 变体连接器）。因此，USB-C连接器的一个有趣特点是它在客户端和主机端都可以使用。 在USB 2.0版本之前，标准中的连接器有四个引脚：Vbus、D-、D+和GND。USB 3.0版本引入了SuperSpeed连接器，它有五个额外的引脚：SSRX-、SSRX+、SSTX-、SSRX+和GND_DRAIN。连接器因而被修改以适应额外的引脚。虽然 type-A 连接器很容易修改以适应五个以上的引脚，但type-B 连接器需要进行一些微小的改进。而Micro-B连接器变成了一个令人困惑且不友好的连接器。 参考图片 Type - A https://en.wikipedia.org/wiki/USB_3.0#/media/File:Connector_USB_3_IMGP6024_wp.jpg Type - B https://4.bp.blogspot.com/-2IBVZ1_H6f8/VDQThGSgCHI/AAAAAAAABD4/egZs7BXvE7o/s1600/etymmm.jpg Micro - B https://m.media-amazon.com/images/I/61qynPKsvvL._AC_SL1500_.jpg USB-C连接器的推出是为了解决用户体验问题，也成为第一个翻转对称的标准USB电缆。 它有 24 个引脚： 相比之前的版本，USB-C 有 2条 SuperSpeed 信号通道，而之前的版本只有1条。 额外的翻转对称电源引脚。 对称的D+和D-信号对（在设备侧是冗余的，电缆只使用一个D+和一个D-）。 新的信号：2个用于配置控制的引脚和2个用于辅助通信的引脚。 引脚用途 USB-C 连接器仍然可以用于默认的 Low/Full/High-Speed （2.0）连接，使用默认的 D+ 和 D- 数据信号对。 它也可以用于 SuperSpeed （3.x）连接，使用 high-speed 通道和配置控制引脚。 USB-C 还可以作为 电源传输接口（充电器） 使用，其中使用 VBUS、GND 和配置控制。 同时，它的另一模式还可用作显示端口。通过将 superspeed 通道用作 Display Port 并使用 SBU 作为配置显示器的辅助通道，最多可以使用 4 条数据线。在此模式中，仍可以使用 D+ 和 D- 引脚进行 USB 2.0 连接。 它还可以作为 音频适配器配件 使用，支持立体声耳机和麦克风。 术语 在 USB-C 的文档中，可以看到之前标准中没有广泛使用的新术语。以下是这些新术语： DFP : 下行面向端口（Downstream Facing Port）- USB主机端口和电源输出。 UFP : 上行面向端口（Upstream Facing Port）- USB客户端和电源输入。 DRD : 双重角色设备（Dual Role Device）- 可以充当主机或客户端口（取代OTG）。 DRP : 双重角色电源（Dual Role Power）- 可以作为电源输出者或电源输入者运行。 DFP和UFP这两个术语很容易理解，而DRD和DRP这两个不那么容易理解的术语是为了符合USB-C标准中两种独立角色的分类而故意创建的。 关于数据方向 - 主机和客户端。 关于电源方向 - 电源输入和电源输出。 因此，同一设备可以同时作为客户端（数据方向）和电源输出端（电源方向）。例如，某些扩展坞站即是 USB 客户端，又可作为笔记本电脑的充电电源。 控制通道 在USB-C引入的新引脚中，配置引脚 CC1和CC2是特别重要的，因为它们有三个基本用途： 电缆方向检测： 由于USB-C电缆具有翻转对称性，所以任何一面都可以插入。因此，检测方向对于设备能够复用必要的引脚进行正确通信显得非常重要。请记住，连接器中并不是所有引脚都是对称的。 角色检测： 在之前的标准中，通过使用不同的连接器来进行主机端（type-A）和客户端（type-B）之间的通信，从而可以轻松确定通信中的角色。这意味着，通过合规的电缆，不可能将两个主机连接在一起。 对于 USB-C，连接器的形状不再防止连接两个主机。角色检测功能确保在这种情况下不会造成任何破坏。在 Dual Role Devices 相连接时，角色检测也非常重要，以确定哪个设备是主机，哪个是客户端。 电源检测与协商： 支持不同的电源配置，客户端和主机需要就配置电源分配达成共识，这包括不同的VBus电压和最大电流。 这通过下图中展示的设置来实现： 线缆方向和角色识别设置 在上行设备中，CC1和CC2引脚有下拉电阻。 在下行设备中，CC1和CC2引脚有上拉电阻。 在被动电缆中，只有一对CC引脚被使用。 通过检测 CC1 和 CC2 引脚的电压，双方都可以轻松地确定所有参数： 角色检测 – 是否有电压变化？ 这意味着一侧是UFP（上行面向端口），另一侧是DFP（下行面向端口）。如果UFP设备没有检测到电压变化，则表示连接中没有DFP。如果DFP没有检测到电压变化，则表示另一端没有UFP。如果另一端连接的是同一类型的设备，也不会出现问题，因为此时的电压感应阶段发生在电源切换之前，这一点将在本博客后面介绍。 线缆方向 – 哪个引脚电压变化？ 由于电缆在CC引脚之间只有单个连接，因而只有一个引脚的电压会变化，这确定了每一端的电缆方向。 电源检测 - 电压是多少？ 通过使用不同值的上拉电阻，根据CC引脚上的最终电压值 ，DFP设备可以轻松地向UFP设备宣告电源传输能力。 后续将介绍详细信息 。 配置通道被用作双向通信总线，用于设备之间的高级电源协商。主动电缆具有标记芯片，可以通过CC总线通信，以了解电缆在电源传输方面的能力。 稍后将提供详细信息 。 另一个CC引脚可以用来为电缆内部存在的任何芯片提供电源。这些芯片可以是标记器、信号复制器或适配器。这些有源电缆有一个拉下的Ra电阻，并且使用 VCONN电压进行供电，固定为最大5V-1W。根据电缆的方向，两个CC引脚都可以切换到VCONN - 另一个引脚仍然可以用于通信总线。切换是通过VCONN控制信号完成的，该信号将CC1或CC2连接到电源。该方案可以在以下图表中看到。 USB-C 的一个关键方面是 VBUS 不总是通电。与以前的 USB 标准不同，这些标准的 VBUS 总是通电的，而 USB-C 上的 VBUS 仅在电源输出端通过观察 CC 引脚的电压值，检测到连接的电源输入端后才会开启。 支持的配置 了解了有关配置通道的信息后，您可以在一些情况下看到它是如何运作的： DFP 连接 UFP 在这种设置中，当两个设备连接在一起时，CC1上的电压下降。然后设备的USB控制器切换VBUS源，使得电源输入设备可以被供电。此外，控制器检测到电缆没有翻转，并且CC2引脚连接到VCONN，以为主动电缆提供电源。在这种切换后，接收方设备可以请求枚举，就像在以前的USB版本中一样。 DRP 连接 UFP DRP可以被配置为作为DFP工作。在这种情况下，CC引脚连接到上拉电阻。在检测到CC1电压变化后，设备的USB控制器可以激活VBUS源和CC2处的VCONN。 DFP 连接 DRP DRP（双角色端口）还可以配置为作为UFP。在这种情况下，CC引脚连接到下拉电阻器。在检测到CC电压变化后，DRP设备的USB控制器可以切换VBUS输入，使其能够由DFP设备供电。 DRP 连接 DRP 在这个配置中，其中一个设备在CC引脚上启用了下拉电阻，而另一个设备在CC引脚上启用了上拉电阻。作为电源输出的设备然后激活VBUS输出，而作为电源输入的设备则激活VBUS输入。 错误的连接 - 由于USB-C连接器在电缆的两端都是相同的，有可能会不经意地将电源输入设备和电源输入设备，或者电源输出设备和电源输出设备连接在一起。在两种情况下，通信都无法进行，但不会对设备造成损坏。 电源输出端连接电源输出端 由于CC引脚没有电压变化，因此VBUS电源未被激活。 电源输入端连接电源输入端 没有 VBUS 输出，因此不存在电压输出源冲突的可能。 传统设备 传统电源输入端连接到 USB-C 电源输出端 适配器图片参考链接: https://www.hardware-wallets.net/wp-content/uploads/2017/05/ledger-otg-kit-adapters-large-360x181.png 为了提供与前几代 UFP 设备的兼容性，可以使用一个简单的适配器。 此适配器需要在 CC 信号上使用下拉电阻，以便 USB-C 源设备可以检测适配器并启用 VBUS 电源。 连接到 USB-C 电源输入端的传统电源 相反的情况也是可行的：USB-C 电源输入设备可以使用 type-A 转 type-C 电缆连接到前几代的电源输出设备。 它需要在 CC 线内部有一个上拉电阻，以便 USB-C 设备可以检测其 CC 引脚上的电压变化。 供电 USB-C 提供多种供电配置。 前三个级别向后兼容非 USB-C 设备（例如，使用 Type-A 连接器）。 向后兼容的 Power Delivery 电源模式 CC 用途 检测 电压 最大电流 最大功率 默认 USB 2.0 DFP 端使用 56kΩ 上拉电阻或者 Type-A 适配器 需要通过 USB 2.0 信号进行 USB 枚举。没有枚举时，只允许 100 mA（休眠模式下 2.5mA ） 5 V 0.5 A 2.5 W 默认 USB 3.x DFP 端使用 56kΩ 上拉电阻或者 Type-A 适配器 需要通过 USB 信号进行 USB 枚举。没有枚举时，只允许 150 mA 5 V 0.9 A 4.5 W USB BC 1.2 DFP 端使用 56kΩ 上拉电阻或者 Type-A 适配器 通过测量 USB 2.0 信号的 D+ 和 D- 线之间的电阻来检测电池充电器主机是否存在 5 V 1.5 A 7.5 W Type-A 转 type-C 电缆提供向后兼容的供电配置。 请注意，USB 枚举过程是必需的 ，USB BC 1.2 模式除外 ，对于电池充电器，放置一个只为枚举的芯片是不现实的。 在这种情况下，通过电源适配器上的 D+ 和 D- 之间的短连接向电源输入设备宣布电池充电器的存在。 这允许在不进行 USB 枚举的情况下输出最高 1.5A 的电流。 简单 Power Delivery 电源模式 CC 用途 检测 电压 最大电流 最大功率 USB-C 5V/1.5A DFP 端使用 22kΩ上拉电阻 UFP检测CC脚的上拉电阻值 5 V 1.5 A 7.5 W USB-C 5V/3A DFP 端使用 10kΩ上拉电阻 UFP检测CC脚的上拉电阻值 5 V 3 A 15 W USB-C 引入了两种简单的供电模式，只需要在 DFP 端使用不同值的上拉电阻。 这些模式仅适用于电缆两端都是 USB-C 连接器。 它不适用于传统的 type-A 转 type-C适配器电缆。 高级 Power Delivery 电源模式 CC 用途 检测 电压 最大电流 最大功率 USB PD Bus DFP、UFP 和标记电缆之间的总线通信 5-20 V 5 A 100 W USB PD Extended Power Range Bus DFP、UFP 和标记电缆之间的总线通信 5-48 V 5 A 240 W 使用 CC 通道作为通信总线来协商电压和电流，可以获得更高功率。如果电流高于 3A 或电压高于 20V，则电缆需要标记芯片进行通信并允许这些更高功率的模式。被动电缆仅支持最高 60W (3A/20V)。 我们可以用下图来总结上述表： 可以使用不同值的电阻宣布最高为 15W (5V/3A) 的供电能力 - 仅使用 5V 电压。 更高的电压和功率需要通过配置通道总线协商。高于 3A 的电流需要内部带有标记芯片的电缆。 您现在了解 USB-C 的基本原理、角色定义和功率传输。 请继续关注我们的下一篇博客，我们将在其中提供真实示例并讨论 USB-C 中的数据信号。