USB 3.1 讓USB Type-C成為現(xiàn)實(shí)

　　USB Type-C提供了很多特性，其中包括為終端用戶提供高級(jí)靈活性和便利性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇提供的選項(xiàng)，這樣，可將總體系統(tǒng)成本控制在合理的范圍內(nèi)。有兩個(gè)選擇會(huì)對(duì)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度產(chǎn)生最大的影響，一個(gè)是Type-C的固有功率15W，另一個(gè)是增強(qiáng)供電能力和視頻支持。這篇文章討論了如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)USB Type-C端口，以及盡可能地減少它對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。

　　簡介

　　在電子行業(yè)中，USB Type-C存在于每一位系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的腦海中。這個(gè)接口將數(shù)據(jù)、電源和視頻合并在單個(gè)連接器接口中。它使得設(shè)計(jì)人員真正有機(jī)會(huì)在全新的平臺(tái)內(nèi)不使用圓柱形電源插孔連接器。USB Type-C支持USB 2.0和USB 3.1，并且提供交替 (Alt) 模式選項(xiàng)，比如說用于視頻的DisplayPort。USB Type-C引入了15W的固有供電能力，以及在增加USB電力傳輸 (USB PD) 時(shí)，高達(dá)100W的增強(qiáng)型供電能力。這個(gè)接口引入了更小、更薄、并且更加穩(wěn)健耐用的插口，能夠支持高達(dá)20Gbps的數(shù)據(jù)速率。這條電纜支持雙向與兩面翻轉(zhuǎn)插拔，并且任何一個(gè)方向上均可連接一個(gè)主機(jī)或一個(gè)客戶端設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在思考，如何將這些可取的特性和靈活性提供給用戶。

　　我們先來設(shè)想一下，設(shè)計(jì)人員正在設(shè)計(jì)一個(gè)全新的筆記本平臺(tái)。如果將USB Type-C端口包含在其中的話，會(huì)使總體成本增加多少?需要多少全新的Type-C插口?它們都是全功能插口嗎?USB Type-C提供給最終用戶的靈活性和簡便易用性同時(shí)也增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式的復(fù)雜程度與成本。雖然全新的生態(tài)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)方式提供了更多的選擇，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在嘗試使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)必須謹(jǐn)慎，以使他們的總體成本保持在可以接受的范圍內(nèi)。

　　那么，全新的筆記本平臺(tái)看起來是什么樣的呢?某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將會(huì)有可能選擇只包含一個(gè)全功能Type-C端口，用USB-PD提供增強(qiáng)型的供電能力。這個(gè)超級(jí)端口將支持Alt模式視頻。為了節(jié)約成本，降低復(fù)雜度，一個(gè)設(shè)計(jì)人員也許想用其它端口來提供簡化功能，比如說15W的固有Type-C供電功能，以及USB數(shù)據(jù)支持。

　　一個(gè)主要的考慮因素就是，在盡可能減少對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)產(chǎn)生影響的情況下，用USB Type-C替代以前的USB插口。這篇文章概述了如何用最小變化將一個(gè)USB 3.0老式端口轉(zhuǎn)換為一個(gè)USB 3.1 Type-C端口。

　　Type-C USB 3.1實(shí)現(xiàn)方式

　　USB Type-C是兩端同樣的接頭——主機(jī)和客戶端設(shè)備上是一樣的插座，電纜兩端是同樣的插頭。圖1顯示的是一個(gè)USB Type-C插座引腳圖。需要注意的是，24引腳接口采用對(duì)稱的排列方式，這使得電纜的翻轉(zhuǎn)更加方便。

　　圖1：USB Type-C插座引腳圖(正視圖)源：Type-C技術(shù)規(guī)格

　　除了USB 3.1 TX，RX，和USB 2.0 D+，D-信號(hào)，2個(gè)CC引腳被用于通道配置 (CC) 和USB-PD通信。一個(gè)典型的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式是用殘樁連接將2個(gè)D+信號(hào)和2個(gè)D-信號(hào)短接，這樣就不再需要用USB 2.0復(fù)用器 (mux) 來適應(yīng)插頭翻轉(zhuǎn)了。然而，出于對(duì)信號(hào)完整性的擔(dān)心，Type-C接口的每一端上都需要2:1復(fù)用器，這樣針對(duì)USB 3.1信號(hào)的殘樁連接是不可行的。如果使用Alt模式的話，需要一個(gè)USB-PD功能，而復(fù)用配置會(huì)變得更加復(fù)雜。

　　一個(gè)典型的USB 3.1實(shí)現(xiàn)方式包括2個(gè)基本功能：一個(gè)管理鏈路的CC控制器;一個(gè)針對(duì)RX和TX信號(hào)的USB 3.1復(fù)用器，用于根據(jù)Type-C插頭方向選擇已連接端。CC控制器需要能夠根據(jù)所需的系統(tǒng)運(yùn)行方式，將自身配置為一個(gè)下行端口 (DFP)，上行端口 (UFP) 或雙用途端口 (DRP)。表1中總結(jié)了不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)/供電運(yùn)行方式。

　　圖1：針對(duì)USB Type-C應(yīng)用的器件數(shù)據(jù)/供電類別

　　USB Type-C的主機(jī)-客戶端實(shí)現(xiàn)方式

　　USB Type-C包含一個(gè)通道配置功能;這個(gè)功能能夠在DFP與UFP之間建立一個(gè)USB鏈路。在傳統(tǒng)USB端口定義中，一個(gè)DFP端口可被視為一個(gè)主機(jī)，而UFP可被認(rèn)為是一個(gè)設(shè)備。CC功能用于確定以下內(nèi)容：

　　DFP至UFP連接/斷開檢測(cè)和插頭方向

　　DFP至UFP(主機(jī)到設(shè)備)和供電關(guān)系(供電方/耗電方)檢測(cè)——在沒有USB-PD的缺省情況下，DFP(源)供電，UFP(灌)耗電

　　供電方做出的USB Type-C VBUS電流通知，耗電方進(jìn)行檢測(cè)

　　一旦連接，供電和數(shù)據(jù)傳輸用途只能通過USB-PD進(jìn)行更改

　　即使一個(gè)插座有2個(gè)CC引腳，CC1和CC2，一條電纜內(nèi)也只連接了單條CC電線。對(duì)于每個(gè)CC引腳，DFP具有一個(gè)上拉電壓，而UFP有一個(gè)下拉電壓。監(jiān)視CC引腳上的額定電壓提供了方向和連接檢測(cè)。

　　圖2：通道配置上拉/下拉模型

　　一個(gè)DFP使用不同的電阻器上拉(或電流源)值來告知其電流提供方的供電能力?；蛘?，一個(gè)UFP通過采用一個(gè)下拉電阻器，并執(zhí)行一個(gè)電壓比較，來檢測(cè)它的耗電量。在沒有USB-PD時(shí)，有3個(gè)電源設(shè)置是可行的——之前的缺省值(針對(duì)USB 3.1的900mA，針對(duì)USB 2.0的500mA)，VBUS上的5V電壓，1.5A和3A電流。

　　圖3中顯示的是USB Type-C的典型主機(jī)-客戶端 (DFP/UFP) 實(shí)現(xiàn)方式。USB 3.1主機(jī)的一個(gè)示例就是臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦。PC中的Type-C端口與DFP類似，運(yùn)行為一個(gè)USB主機(jī)，為客戶端設(shè)備供電。另一方面，一個(gè)USB SuperSpeed客戶端設(shè)備的典型示例就是便攜式硬盤。這個(gè)硬盤運(yùn)行為一個(gè)USB設(shè)備，并且由VBUS供電。

　　圖3：USB Type-C的典型主機(jī)-客戶端 (DFP-UFP) 實(shí)現(xiàn)方式

　　根據(jù)Type-C技術(shù)規(guī)格，客戶端/用戶負(fù)責(zé)管理功耗。因此，一個(gè)客戶端設(shè)備需要根據(jù)主機(jī)的電流告知來動(dòng)態(tài)地控制功耗。一個(gè)替代方法將流耗保持在缺省限值以內(nèi)。DFP也有可能實(shí)現(xiàn)針對(duì)附件系統(tǒng)保護(hù)功能的電流限制。

　　如果一個(gè)DFP支持USB 3.1，它需要在USB Type-C電纜內(nèi)，用VCONN 為有源電子設(shè)備提供5V電源。通過插座的CC引腳(CC1或CC2)來施加VCONN;插座不是通過電纜內(nèi)的CC電線連接。相反的，它在插頭近端為電路供電。需要注意的是，每條全功能Type-C電纜都需要具有一個(gè)電子標(biāo)記。此外，較長的電纜也許需要有源信號(hào)調(diào)節(jié)器。

　　USB Type-C的雙用途端口實(shí)現(xiàn)方式

　　USB Type-C還定義了一個(gè)DRP;在穩(wěn)定的連接狀態(tài)建立之前，它交替地將自己識(shí)別為DFP或UFP。如果一個(gè)DRP與DFP或UFP配對(duì)使用，它分別作為DFP或UFP運(yùn)行。如果將2個(gè)DRP配對(duì)使用，結(jié)果是隨機(jī)的，但會(huì)受到2個(gè)可選功能的影響：Try.SRC和Try.SNK。如果另外一端沒有偏好的話，具有Try.SRC的DRP更有可能變成一個(gè)DFP(源)，而一個(gè)具有Try.SNK的DRP成為UFP(灌)的可能性更大。這些特性對(duì)于在生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)有序的供電方/耗電方關(guān)系很重要。例如，筆記本電腦應(yīng)該為手機(jī)供電——即使它們二者都具有DRP功能。

　　圖4：USB Type-C的典型DRP實(shí)現(xiàn)方式

　　Type-C USB 3.1解決方案

　　在不進(jìn)行重大的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)的情況下，要將現(xiàn)有的USB平臺(tái)(包含老式插口)輕松轉(zhuǎn)換為USB Type-C，需要一個(gè)CC控制器器件。為了支持USB SuperSpeed，還需要一個(gè)具有USB SuperSpeed復(fù)用功能的額外器件。

　　TUSB321是一個(gè)單芯片USB Type-C端口CC控制器，它可被配置為一個(gè)DFP，UFP或DRP。它是一款自主器件。實(shí)際上，借助某些預(yù)先設(shè)定的配置，它的運(yùn)行不需要任何的用戶干預(yù)。不過，可選擇進(jìn)行軟件干預(yù)，它能夠提供某些對(duì)設(shè)計(jì)人員有用的其它功能。

　　圖5：典型通道配置器件的功能方框圖

　　HD3SS3212是一款USB SuperSpeed無源復(fù)用器;它使用CC控制器提供的信號(hào)工程實(shí)驗(yàn)室 (SEL) 信號(hào)來選擇有源USB 3.1信號(hào)，以適應(yīng)Type-C翻轉(zhuǎn)插頭;針對(duì)高達(dá)10Gbps的數(shù)據(jù)速率，這個(gè)插頭支持USB 3.1 Gen 1和Gen 2。

　　圖6：針對(duì)SS RX/TX對(duì)選擇的復(fù)用器操作示例

　　某些系統(tǒng)也許需要針對(duì)USB SuperSpeed的增強(qiáng)信號(hào)，以符合插口的要求。一個(gè)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)復(fù)用器能夠提供信號(hào)調(diào)節(jié)與USB SuperSpeed開關(guān)的雙重功能。USB Type-C提供音頻附件特性;這一特性能夠通過Type-C插口提供頭戴式耳機(jī)和麥克風(fēng)功能，從而在某些系統(tǒng)中，免除了對(duì)于3.5mm音頻端口的需要。音頻信號(hào)使用D+，D-和USB信號(hào)。要提供音頻功能，將會(huì)需要一個(gè)額外的復(fù)用器，而這不是本文的討論范圍。

　　總結(jié)

　　由于其功能性和靈活性，USB Type-C將會(huì)受到電子設(shè)備愛好者的廣泛歡迎。系統(tǒng)的開發(fā)和組件成本不會(huì)因這一巨大優(yōu)勢(shì)的存在而顯著增加。對(duì)于大多數(shù)基本實(shí)現(xiàn)方式，比如說USB和15W電壓，這個(gè)轉(zhuǎn)換是很容易的——你只需要升級(jí)插口，添加一個(gè)CC控制器，以及一個(gè)可選的USB 3.1 SS復(fù)用器。