元器件分析 / 硬件积累 · 2023年7月31日

深入解析TypeC

1、Type-C接口引脚分布


有24根信号,其中电源和地占了9根,有4个地和4个Vbus,用于提升电流传输能力。

  • A6、A7:用于传输USB2.0的两组信号是交叉连接的,所以会使得插头以任意方向插入时数据都是连通的。
  • A2、A3,A10、A11:有两组(8根)高速数据通路,用于传输数据
  • CC1、CC2:用于传输方向确认和正反插确认,以及USB PD BCM码信号传输功能,实现负载的功能配置,当其中一根作为TypeC接口的配置信号时,另一根则变成供电电源。(SUB1\SUB2作为辅助信号,在一些特殊模式下使用)。

2、USB TypeC接口特点
①可盲插、无方向性
②PD最大支持功率100W(20V/5A)
③单组最高速率支持10Gbps。
④能够给不同电压的设备充电。

3、DFP、UFP、DRP用途解析
①DFP:下行端口,可以理解为一个Host,DFP作为source给VBUS和vcon供电的,简单理解为一个提供电源的设备,如:电源适配器。
②UFP:上行端口,可以理解为Device,UFP可以理解为受电端口,DFP为供电端口,UFP从VBUS中取电,并可提供数据。典型设备如:U盘、移动硬盘。
③DRP:双角色端口,DRP既可以做DFP又可以做UFP,也可以在DFP和UFP间动态切换,典型设备是:笔记本电脑


功能:
1.检测 USB 端口的连接
DFP为Host端,UFP 为device端。在DFP的CC pin会有上拉电阻Rp,在UFP会有下拉电阻Rd。在DFP与UFP未连接之前,DFP的VBUS是没有输出的。当DFP与UFP连接后,CC pin相接,DFP的CC pin 侦测到UFP pulldown Rd,表示接到Device,DFP便打开VBUS的FET开关,输出VBUS电源给UFP。


2.检测正反插
由于Type-C是支援正反插,CC pin被用来侦测正反插,从DFP的角度来看,当CC1接到Pulldown就是正插,如果是CC2接到Pulldown就是反插。在侦测完正反插后,就会输出相对应的USB信号,例如CC1对应的是SSTX1与SSRX1。下图的右边整合了MUX,由于USB 3.1的data rate高达10 Gbps,为了避免PCB的走线出现分支,所以正反插进来的信号会由MUX来切换,正插时:切换到SSRX1&SSTX1,反插时:切换到SSRX2&SSTX2。


3.PD充电检测
USB PD的功能还需要有USB PD Phy chip来完成Protocol沟通,而Protocol信号是载在两端连接的CC pin上。沟通方式是通过双相标记编码(BMC)编码。


4.发现和配置可选的备用和附件模式
USB PD的VDM (Vendor defined message)功能,可以让host与device认到对方的ID,而进到a lternate mode.,VDM也是透过CC pin来传输的。下面为一个Alternate mode在Dock的例子,system认到dock装置,知道dock有PCIe装置,于是system利用Type-C的SBU1/SBU2、Tx2/Rx2来传输PCIe信号。


当CC1与CC2 pin上各接一个下拉电阻,阻值≤Ra,这表示system接到了Audio Accessory,system进到accessory mode。如下图,Type C的CC pin接到耳机的DET pin,当耳机插入时,DET pin被拉到low,system进到accessory mode。system需要自动切换Type C上的讯号,让DP/DN甩来输出耳机的左右声道。SBU1/SBU2用来作MIC/AGND function,依照system是支援OMTP或CTIA的耳机。


补充 :——深入解析CC通道
(1)CC channel
CC:配置通道,作用是检测USB连接,检测正反插,USB设备间数据与VBUS的连接建立与管理。

探测连接,区分正反面,区分DFP和UFP的主从关系。
配置Vbus,有USB TypeC和USB Power Delivery两种模式。
【USB Power Delievry是一种利用USB数据线可实现高达100W供受电的USB供电扩展标准。】

配置Vconn,当线缆里有Emark芯片的时候,一路CC通道传输CC信号,另一路CC通道变成Vconn,给EMark芯片供电。
如果CC通道连接其他配置,如连接音频配件、DP、PCIE时,CC通道配置是不同的。

上图分析:

在DFP的CC pin有上拉电阻Rp,在UFP有下拉电阻Rd。
在未连接时,DFP的VBUS是无输出的,连接后CC pin相连,DFP的CC pin会检测到UFP的下拉电阻Rd,说明连接上了,DFP就打开Vbus电源开关,输出电源给UFP。而哪个CC pin(CC1、CC2)检测到下拉电阻就确定接口插入的方向,顺便切换RX\TX。
电阻Rd=5.1k,电阻Rp为不确定的值,USB TypeC有几种供电模式,靠Rp的值来甄别,Rp的值不一样,CC pin检测的电源就不一样,然后来控制DFP端执行哪种供电模式。

(2)CC识别模式
①Source到Sink


source端给sink端提供5V 3A

②Source到DRP模式


source只有上拉,但是DRP可作为source或者sink,所以DRP可以通过模拟开关切换上下拉。如果DRP作为source端,则Vbus上的模拟开关不会被打开,两边源是独立的。如果DRP作为sink端,则下拉到Rd电阻,source为DRP供电。

③DRP到sink的模式


DRP作为Source或sink,可以通过模拟开关切换上下拉,sink只有下拉电阻。当DRP作为source,则切换到Rp为sink供电,当DRP作为sink,则切换到Rd两边相互独立。

④DRP到DRP模式

有三种情况:
1)DRP1和DRP2可随机配置成source和sink相互独立
2)DRP1设置成source,DRP2设置成sink,则DRP1为DRP2供电。
3)DRP2设置成source,DRP1设置成sink,则DRP2为DRP1供电。

5、总结
TypeC无PD无Emark芯片时,最大输出为5V/3A
TypeC有PD3.0和Emark芯片时,最大输出为20V/5A
TypeC支持10Gbps、支持40bps
TypeC支持HDMI/DP的应用
TypeC支持模拟音频输出

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