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USB TYPE-C详解

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2017.07.02
信息摘要:
电能传输功能差异。USB Typc-C的特点在于,所有支持TYPE-C接口标准的设备都可以通过接口规范中的CC引脚的电平来向连接的另一方宣称…

USB TYPE-C,是两个词,首先是USB,说明它是由USB-IF组织发布的接口标准。其次是TYPE-C,C是接口物理形式的版本号,相对于TYPE-A,TYPE-B而言的升级版。正如USB3.1是相对于USB2.0,USB1.0的升级版一样,只不过,1,2,3 阿拉伯数字的版本号,是相对于接口数据传输协议而言,版本越高数据传输速度越快。A,B,C 则是相对于接口的物理形式进行的规定。过去的10多年里,A口是普通消费者用的最多的,即普通电脑上那个USB口,称为A口母座,对应的插头,称为A口公头,A口主要的作用是作为数据及电源的下行端口,即拥有A口母座的设备,在电源上来说,属于供电设备( TYPE-C中称为SRC即SOURCE),在数据传输上来说,属于HOST(TYPE-C中称为DFP即DownStream Face port)。B口,则反过来,属于用电方(TYPE-C中的 SNK即SINK),数据传输上属于Slaver(TYPE-C中的UFP即UPStream Face port)。最开始发布的B口,是方型的,做工业类应用比较多,因为体积大,又先后发布了Mini USB 和 Micro USB,其中的Micro USB形式的B口,成为了现在安卓手机的标配。而USB-IF推出C口的目的,则是把A口和B口合并起来,让一个口,既可以担当HOST,又可以担当SLAVER。

USB TYPE-C详解

TYPE-C带来的变化包括:

USB TYPE-C详解

第一、电能传输功能差异。USB Typc-C的特点在于,所有支持TYPE-C接口标准的设备都可以通过接口规范中的CC引脚的电平来向连接的另一方宣称自己占用VBUS的意愿,较强意愿的一方最终向VBUS输出电压和电流,另一方则接受VBUS总线的供电。为了能够更方面的使用这个总线定义。Type-C接口芯片(例如LDR6013),一般把从电源特性上把设备分为五种角色:SRC,TRY.SRC,DRP,TRY.SNK,SNK,这五种角色占用VBUS总线的意愿依次递减。其中SRC相当于适配器,会持续想要向VBUS输出电压,TRY.SRC相当于移动电源,只有当遇上适配器时,才放弃输出VBUS,DRP相当于笔记本电脑,可以接受适配器提供的电能进行充电,也可以输出电能给手机充电。TRY.SNK相当于手机,正常情况下,期待对方给自己供电,但是遇上比自己还弱的设备,例如U盘时,也勉为其难的向对方输出, SNK是不对外输出电能的,一般为弱电池设备,或者无电池设备,例如u盘,鼠标,蓝牙耳机。这个就是所谓的CC LOGIC。在CC LOGIC中,最难做的是移动电源。因为用户要求移动电源要给一切能够接受充电的设备进行充电,包括笔记本电脑。而市场上有部分笔记本电脑的CC逻辑是TRY.SRC,例如Chromebook,华为的Matebook等。于是,就出现了市面上部分移动电源无法充笔记本电脑的问题,经常出现笔记本电脑反过来往移动电源充电。电子工程师在移动电源设计阶段就遇到了这个问题,并为之困扰。后来找到了一颗LDR6013,终于解决了这个问题。

第二、数据传输功能差异。传统的USB接口,一般内部只有一个业务处理单元,例如USB3.0处理芯片,USB2.0处理芯片等。而TYPE-C接口,允许最多三组业务处理单元,可以通过对模拟开关的控制,同时支持两组数据传输业务(一组USB3.0,一组USB2.0)加一组HDMI信号传输业务。或者是三组的任意组合。所以,一个TYPEC接口,最多可以支持三组传输加一组供电,共4种功能。

第三、电能及数据传输性能差异。USB TYPE-C支持正反插,由于正反两面一共具有四组电源和地,在功率支持上有了大幅度的提升,最高支持20V,5A 100瓦传输能力。将带来传统用电器供电的革命。同时还兼具有公头和母座两层完整的金属保护壳EMC防护,令传输速度可以上升到最高40G。

除了在手持设备接口上的一统天下之外,未来的家庭供电系统中,TypeC将占据重要地位,随着低功耗技术的普及,家用电器中,除了冰箱、空调、洗衣机、干发器之外,其他用电器都可以使用USB TPYE-C供电,既方便又安全,从而,直流入户供电方式不再是纸上谈兵。

2015年3月,Apple发布了新MacBook,采用了USB Type-C,此举引发业界热议,苹果前所未有的放弃自己的封闭体系,意味着TYPE-C接口有望统一所有手机、平板、PC等设备的有线接口,在有线时代终结前,形成接口和电缆大统一。下面让我们来深入了解,TYPE-C接口的内部的实际结构,探究它一系列神奇特性的由来。

首先让让我们直接从USB TYPE-C 的Spec上截一个USB TYPE-C母座的pin脚图来看看:

USB TYPE-C详解

图1 USB TYPE-C母座引脚图摘自USB TYPE-C SPEC

可以看出,母座上有24根信号,其中电源和地占据了8根,用于提升电流传输能力,剩下16个,用于传输USB2.0的两组信号是交叉相连的,去掉重复的两个,一共是14个信号。包括我们所熟悉的2组共8根可用于传输usb3数据的RXx和TXx,USB2.0数据信号D+,D-和SBU1,SBU2,CC1,CC2。 其中SBU1,SBU2,CC1,CC2是传统的USB接口所没有的信号。CC是USB TYPE-C接口的灵魂所在,承载了TYPE-C连接过程中的传输方向确认和正反插确认功能,以及USB PD BCM码信号传输功能,实现负载的功能配置。两根线CC线,当其中一根CC作为TYPE-C接口的配置信号时,另一个CC则作为电缆上EMARKER芯片的供电电源。剩下的SBU1和SBU2为辅助信号,在不同的应用场景具有不同的用途。例如在ALT MODE 模式下进行DP信号传输时,作为音频传输通道,在进入TYPE-C模拟音频耳机附件模式,则作为麦克风信号传输通道。

那么,被提及最多的正反插,究竟是怎么实现的呢?秘诀在于CC公头上。让我们来看CC公头的结构。

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图2 TYPE-C公头的信号结构

对比母座接线图,我们可以看出,公头只有一个CC,另外一个CC变成了VCONN,于是,当公头插入母座的时候,公头上的CC可能跟母座上的CC1连在一起,也可能跟母座的CC2连接在一起,分别对应着正插和反插两种情况。母座上需要用一颗芯片来检测是CC1建立了连接,还是CC2建立了连接,从而控制设备内部的SWITCH,来正确的适配数据传输,或者是音视频传输的信号对应关系。

弄清了传输接口结构以及正反插识别原理之后,我们来看看电流传输的细节问题,根据USB-IF发布的标准,各版本的USB接口,电流传输能力如下:

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图3 USB标准级最大传输功率摘自USB TYPE-C SPEC

从上表可以看出USB Type-C并不是必然支持20V/5A,默认情况下,只支持5V3A,必须在具备USB PD通信能力,并且传输线上有Emarker芯片的情况下,才可能支持到 20V/5A。当然,相对于制定标准这件工作本身的难度来说,设计USB PD芯片和EMARKER芯片其实是小菜一碟。正常情况下,标准发布后的半年内会有样片,一年内会批量生产。例如国内已经有了支持CC logic的LDR6013芯片,以及支持USB PD的LDR6021和LDR6023芯片。

电能传输的情况,已经了解了,让我们了解一下,具体的数据传输。在传统TYPE-A USB3.0接口中,有一组rx和一组tx,共4根高速信号传输线,最高可以传输5G带宽信号。而TYPE-C接口,则一共有两组rx和两组tx,共8根高速信号传输线,这是出于正反插考虑,对于USB3.0信号传输,每次只用其中一组。另外,还可以分开来使用,利用PD协商,进入ALT模式,把其中4根用于传输USB3.x信号,另外4根与sbu1和sbu2组合起来,用于传输2 lane的DP信号。也可以协商成8根差分线,与sbu1,sbu2组合,全部用于传输DP信号。这样就是4lane的 DP信号了,最高分辨率可以上到8K。这些灵活的应用,让type-c接口被赋予了无限的可能。说到底,就是能够进行电源、数据、音视频传输,而且都比旧的传输线的传输性能更优秀。真的是走别人的路,让别人无路可走了。当然,TYPE-C虽然这么牛B,却不要忘了,有线的传输还有另外一位高手,那就是光纤。其传输的极限带宽,是按照T(1000G)来计算的。而且,现有的TYPE-C电能传输能力又足以支撑光纤MODEN。所以,如果在现有TYPE-C电缆基 础上,把8根高速信号传输线换成一根光纤,谁知道会发生什么呢?

总结以上,USB Type-C终结了长期以来USB需要通过试错法来多次重插的历史,节省了人们大量的时间,换一次方向至少2s吧,按全球10亿人每天插拔一次USB,50%概率插错,共耗时277000多小时,约为31年,太恐怖了。一个接口搞定了电能、数据、音视频数据三种传输需求,体积又小。可以预见,以后手机可以改为USB Type-C接口了,如果只需要USB2.0的话,只需要重做线缆,部分功能需要加上接口芯片,成本上完全可以忽略不计。而手机上到USB3.0,则真正的革命就要出现了。PC机可能不再被需要,一个手机,通过TYPE-C口输出DP,接入显示器就可以完成电脑的功能了。如果接上VR,那么整个世界都不一样了。请问,还有谁会需要PC,笔记本电脑,这类20世纪的遗产吗?

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