USB Type C 信号定义说明|数|模电子 - 逆天PCB论坛

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提示：会员销售的附件,下载积分 = 版块积分 + 销售积分只看楼主倒序阅读使用道具 0楼发表于: 2018-11-30

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本文覆盖信号横穿USB Type C线缆（cable）和连接器（connector）的功能要求，包含信号功能定义、发现和配置过程和功率输送。还将介绍一些扩展功能。

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名词解释 %[~g84@
Accessory Mode：附件模式，分别通过在CC1/CC2上的Rd/Rd或Ra/Ra状态重新配置连接器。 EB}~^ aY
Active Cable：主动线缆，具有额外电路的电子标识电缆来决定数据信号通路。 ~@QAa (P.
Alternate Mode：交替模式，其行为受供应商和标准组织（SVID：USB-IF）规定，进入和退出交替模式是USB PD组织VDM命令发生的。 .q:6F*,1M
Audio Adapter Accessory Mode：分别定义于CC1/CC2的Ra/Ra状态。 _\,lv \u
BFSK：Binary Frequency Shift Keying，二进制频移键控，USB PD通过VBUS通信。 (Rq6m`M2
BMC：Biphase Mark Coding，双相位标识编码，USB PD通过CC通信。 U7g,@/Qx
Captive Cable：不可分离电缆，一端是USB Type C插头的电缆，另一端是供应商定制的连接方式（固定的或客制化可拆卸） 9&Y|,&W
DAM：Debug Accessory Mode，调试辅助模式，通过CC1/CC2的Rd/Rd或Rp/Rp状态定义。 N7}3?wS
DTS：Debug and Test System，在DAM下，连接软体和硬体提供可视化调试和控制的系统。 ieWXr4@:
DFP：Downstream Facing Port，USB连接的数据流，典型是主控（host）或集线器（hub）的端口，在初始状态下发起VBUS、VCONN和数据的作用，在只充电的DFP端口只发起VBUS。 UA]T7r@
DRD：Dual-Role-Data，可以用作DFP（Host）或UFP（Device）的端口。 Pf?&ys6
DRP：Dual-Role-Power，可以用作Source或Sink。 r58<A'#
DR_Swap：USB PD数据角色转换。 p/7'r
Electronically Marked Cable：电子标识电缆，USB PD提供电缆的特征。 L})*ck
Initiator：端口初始化一个VDM，是一个独立的端口角色（Provider、Customer、Provider/Customer、Customer/Provider），一般情况下被认为是Host。 v_v>gPl,
Port Partner：一个被连接的端口。 `)KGajB
Powered Cable：有电插入的VCONN和Ground之间存在Ra的线缆。 d( ru5*p
PR_Swap：USB PD电源角色转换。 (JjxrZ+L
Responder：端口对初始化VDM的一个回应，是一个独立的端口角色（Provider、Customer、Provider/Customer、Customer/Provider），一般情况下被认为是Device。 h#)\K| qs
SID：Standard ID，USB-IF指定，用来区分制造商。 ;.=0""-IF
Sink：CC上Rd有效，消费VBUS上电源，一般是Device。 c(b`eUOO
Source：CC上Rp有效，提供VBUS上电源，一般是Host，Hub DFP。 9jx>&MnWs
SVID：SID或VID 7i02M~*uS
UFP：Upstream Facing Port，USB连接的数据流，典型是设备（Device）或集线器（hub）的端口连接到Host或DFP Hub，在初始状态下Sink VBUS和提供数据的作用。 L*4=b (3
VCONN-powered accessory：在交替模式下VCONN提供辅助电源功能。 vflC{,{=k>
VCONN_Swap：USB PD VCONN交换。 {-]K!tWda
VDM：Vendor Defined Message，供应商定义信息（USB PD）。 "s_S!;w@
VID：Vendor ID，16Bit，USB-IF指定。 rf'A+q
Plug：插头；Receptacle：插座。 w}(pc}^U
Port：与插座关联，包含信号，CC逻辑，多路复用器，及其他相关逻辑。
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信号总结 k,<7)-

信号引脚描述
2.1 SSTXp1, SSTXn1 (SSTXp2, SSTXn2)
这些引脚提供了USB3.1高速接口的发送通道，从发送端口差分对路由到另一端接收端口差分对。USB3.1规范定义了该接口所有的电气特性、枚举、协议和管理特征。
SSRXp1, SSRXn1 (SSRXp2, SSRXn2)实现的是接收通道。
2.2 Dp1, Dn1 (Dp2, Dn2)
这些引脚支持USB2.0的LS、FS和HS模式支持及相关功能。具体定义见USB2.0规范。
2.3 SBU1, SBU2
边带使用引脚将在将来的USB规范上进行额外功能定义。SBU会被用在交替模式(Alternate Mode)和音频适配器附件模式(Audio Adapter Accessory Mode)。SBU引脚端口需要一个开路或者弱下拉到地。SBU1和SBU2在线缆上是交叉连接的。
2.4 VBUS, VCONN, GND
VBUS只在CC通道呈现出Source-to-Sink连接时候呈现。
VCONN应用于未使用CC引脚进行供电的本地插头。
GND是当前回路。
2.5 CC1, CC2, CC
这些引脚用于USB Type C的线缆和连接器的连接检测和接口配置。一旦连接确定，CC1或CC2重新指定为插头VCONN引脚提供功率输出。

3. 电源和地
3.1 线缆电阻压降（IR Drop）
地线的电阻压降不超过250mV，VBUS的不超过500mV。

Iso是绝缘体，L1和L2是负载。同样应低于250mV。
3.2 VBUS
VBUS的电压范围在USB2.0和USB3.1规范上有明确定义。注意由于允许更高的电流，传统设备可能在低负载情况下经受超过最大5.5V的电压。VBUS在没有被Source的时候，VBUS引脚和GND引脚的泄漏电阻最小为72.4千欧，电容最大为10微法拉。
3.3 VCONN
VCONN是插头里Source到电源线的电子提供，并经过不连接到CC线的CC引脚，初衷是给eMarker芯片供电。

下图是是VCONN的Source电气特征：

为了减少VCONN供电，Source可以不给VCONN供电或关掉VCONN在下面任何一个条件下：
（1）在tCCDebounce之后，一个CC引脚没有检测到Ra，另一个CC引脚在SRC.Rd状态；（2）在tCCDebounce之后，一个CC引脚没有检测到Ra，另一个CC引脚在SRC.Open状态并且这个端口支持辅助VCONN供电；
（3）如果没有GoodCRC回应USB PD发现识别信息。
下图是VCONN的Sink电气特征：

4. 配置通道（CC）
4.1 配置通道目的：
（1）检测USB端口的插上情况，比如Source到Sink
（2）解决电缆方向，确立交叉连接的数据总线路由
（3）确立两个连接端口的数据角色
（4）发现和配置VBUS：USB Type C当前模式还是USB功率传输模式
（5）配置VCONN
（6）发现和配置交替模式和辅助模式
4.2 USB Type C的数据总线接口及正反插
下图分别是USB Type C之间及其与直连设备的路有关系图，CC决定了蓝色和红色路由的选择。

4.3 连接Source和Sink
配置Source到Sink的典型流程：
（1）在端口上检测有效的连接（包含电缆方向，Source/Sink及DFP/UFP关系）
（2）发现电缆性能（可选）
（3）确定替代传统USB电源（可选）：USB PD和CC进行高级功率传输谈判，USB Type C当前模式，USB BC 1.2
（4）USB设备枚举
Pull-Up/Pull-Down CC Model

Current Source/Pull-Down CC Model
是将上图的Rp换成Current Source。CC1和CC2的状态如下：

4.4 配置通道功能模型
通过CC1和CC2来看每个端口的类型：Source, Sink and Dual-Role-Power (DRP)：
（1）类型Source：

a). Source使用FET开关VBUS的功率传输，初始为关闭状态
b). Source在CC1和CC2上放一个Rp上拉电阻来检测Sink，在引脚上出现Rd下拉电阻说明Sink连接上了。Rp值的大小意味着Host初始USB Type C电流水平
c).Source使用CC引脚的下拉特征检测和确定正确的USB高速数据路径路由并决定CC引脚打算给VCONN供电
d).一旦Sink检测到，Source会使VBUS，VCONN有效
e).Source能动态调整Rp值提供可变可用的USB Type C电流给Sink
f).Source继续监控Rd的状态以检测Sink的断开。当断开事件检测到了，Source删除掉之前提供的VBUS和VCONN，返回到步骤b）
g).如果Source提供高级功能（USB功率输送，替换模式），USB PD通信要求
（2）类型Sink：

a).Sink通过Rd下拉电阻到GND终止CC1,CC2
b).Sink通过VBUS出现决定Source的连接
c).Sink使用CC引脚的上拉电阻特征去检测和确定正确的USB高速数据通路路由
d).Sink可选的检测CC引脚以检测Source的可用更高USB Type C电流
e).如果Sink提供高级功能（USB功率输送，替换模式），USB PD通信要求
（3）类型DRP

a). DRP使用FET开始和关闭VBUS功率输出，在Source模式下初始化书关闭的
b).DRP使用交换器存在状态判断是Source还是Sink
c).DRP使用逻辑单元在初始连接时切换Source和Sink：直到指定的稳定状态确定，DRP交替表现为Source和Sink，时序是tDRP，dcSRC.DRP，tDRPTransition；当DRP表现为Source的时候，它执行Source的操作去检测连接的Sink，如果Sink检测到了，作用于VBUS、VCONN、继续操作Source一个tDRPHold；当DRP表现为Sink的时候，监视VBUS看是否连接到Source，如果检测到Source将执行Sink的一系列操作
d). 如果DRP提供高级功能（USB功率输送，替换模式），USB PD通信要求
4.5 USB Type C端口的电源角色和交换
Source-Only/Source(Default)
Sink-Only/Sink(Default)
DRP: Toggling(Source/Sink), Sourcing Device, Sinking Host
Rp—>Source VBUS/VCONN，DFP行为（USB HOST）
Rd—>Sink，UFP行为（USB DEVICE）
USB PD PR_Swap：交换Rp(Source)和Rd(Sink)
USB PD DR_Swap：交换DFP(Host)和UFP(Device)
USB PD VCONN_Swap：交换哪个端口提供VCONN
4.6 CC功能和行为要求
a). Source连接状态图

b).Sink连接状态图

c).DRP连接状态图：

除此之外，还有附件模式的支持状态，更为复杂。
d).相关状态解释：
Disabled State：从CC引脚移除终端，如果不支持该状态，那么该端口在上电后直接是Unattached.SNK或Unattached.SRC，该状态端口不会驱动VBUS或VCONN，CC1和CC2会呈现高阻到地。
ErrorRecovery State：从CC1和CC2引脚移除终端，接下来会根据端口类型转化为Unattached.SNK或Unattached.SRC，这相当于强制断开连接事件，并寻找一个新的连接。如果该状态不支持，则转化为支持的disabled状态，如果disabled状态也不支持，则转化Unattached.SNK或Unattached.SRC。，该状态端口不会驱动VBUS或VCONN，CC1和CC2会呈现高阻到地。
Unattached.SNK State：端口等待检测到Source的出现，一个端口Dead Battery不供电时候进入这个状态，端口不能驱动VBUS和VCONN，CC1和CC2分别地通过Rd终止到地，当Source连接检测到会转化为AttachWait.SNK，意味着在一个CC引脚上有SNK.Rp。USB 2.0不支持USB PD可能在VBUS检测到直接转化到Attached.SNK。
AttachWait.SNK State：端口检测到SNK.Rp状态在一个CC引脚上，并等待VBUS。端口不驱动VBUS或VCONN。
Attached.SNK State：端口连接上了，并作为Sink操作，如果初始化进入这个状态同样作为UFP操作，Power和Data的状态改变可以通过USB PD Command。直接从Unattached.SNK转化过来是通过检测VBUS，不确定方向和可用的高于默认的USB Power。
Try.SRC State：端口查询决定伙伴端口是否支持Sink，不驱动VBUS和VCONN，端口要在CC1和CC2上分别Source电流。
TryWait.SNK State：端口成为Source失败，准备连接成Sink，不支持VBUS或VCONN，CC1和CC2分别通过Rd终止。
Try.SNK State：端口查询决定伙伴端口是否支持Source，
TryWait.SRC State：端口成为Sink失败，准备连接成Source。
4.7 USB端口交互行为
a). Source到Sink的行为：

第一步，Source和Sink在Unattached状态
第二步，Source通过CC检测到Sink的Rd，经过AttachWait.SRC进入Attached.SRC。Source并打开VBUS和VCONN。
第三步，Sink从Unattached.SNK经过AttachWait.SNK转为Attached.SNK。USB2.0不支持附件模式，直接跳过AttachWait.SNK状态，该过程是通过检测VBUS完成。
第四步，当Source和Sink在Attached状态了，Source调整Rp值限制Sink拉的电流，Sink检测和监视vRd看VBUS可用的电流，Source监视CC的Detach行为进入Unattached.SRC，Sink监视VBUS的Detach行为进入Unattached.SNK。
b).Source到DRP行为：

第一步，Source和DRP在Unattached状态
第二步，Source通过CC检测到DRP的Rd，经过AttachWait.SRC进入Attached.SRC。Source并打开VBUS和VCONN。
第三步，DRP通过CC检测到Rp从Unattached.SNK转为AttachWait.SNK，再检测VBUS转为Attached.SNK。
第四步，当Source和DRP在Attached状态了，Source通过调整Rp值限制DRP拉的电流，DRP检测和监视vRd看VBUS可用的电流，Source监视CC的Detach行为进入Unattached.SRC，DRP监视VBUS的Detach行为进入Unattached.SNK。
c).DRP到Sink行为：DRP成为了Source，类似a）

以上行为都较为类似，除此之外还有DRP到DRP行为（尝试寻找Source和Sink），Source到Source行为（都失败在Unattached.SRC），Sink到Sink行为（都失败在Unattached.SNK）。
d). Source到Legacy设备端口行为：

主要是通过看CC引脚状态，类似的还有Legacy Host端口到Sink的行为，DRP到Legacy设备端口行为，Legacy Host端口到DRP行为。

5. 功率

（1）在USB Suspend时候，USB Type C电流设置成1.5A或3.0A，允许Sink继续拉电流；USB PD提供了方法使Source和Sink通信Sink是否符合Suspend规则；如果Source在Suspend时候提供VBUS，也必须提供至少7.5mA电流给VCONN，而电子标识电缆要求从VCONN拉不超过7.5mA电流；
（2）在USB Type C电缆上VBUS功率传输，提供的电流包含3.0A、1.5A、500mA（USB2.0）、900mA（USB3.1），如前第4节描述通过CC引脚配置完成。
（3）USB Power Delivery：USB PD在CC线上使用双相标记编码（BMC）通信，在通信之前VBUS需要稳定:

USB PD BMC信号如下图：

（4）DFP作为Power Source：USB Type C插座的USB充电器，仅仅VBUS供电，且不建议电流超过3.0A，但是在支持USB PD识别电缆实际能力的除外；USB Type C固定线缆的USB充电器，不能超过该电缆的最大电流5A，电缆的电压是0.75×I/3 V (0<I≤ 3A)或者0.75×I/5V (0<I≤5A)，输出电压是4.0V – 5.5V（3A）

6. 其他参数说明：
（1）电子标记电缆：全功能Type-C电缆，支持USB PD VDM结构功能发现身份认证命令，包含运输电流的能力、性能、厂商标识。要求VCONN（不超过70mW，7.5mA），尽管其他VBUS和Source已经提供，但不包含数据总线信号。
主动电缆：是电子标识的，并包含数据总线信号调节电路，VCONN功耗不超过1W。
（2）VCONN-Powered附件：替代模式实现的直连Sink，并仅操作VCONN（2.7V~5.5V），VCONN和CC引脚上有更大的电阻到地。当操作在UFP角色，VBUS没有呈现，VCONN-Powered附件必须协商VCONN应用为连接信号，并回应USB PD信息。当仅VCONN供电时候，VCONN-Powered附件必须谈判一个替代模式，如果谈判失败，就将伙伴端口的VCONN移除，如果VBUS没有呈现，该操作视为断开连接过程。当提供VBUS的时候，VCONN-Powered附件从属于替代模式。
（3）参数值：
Source CC端Rp：

Sink CC端Rd：

VBUS和VCONN的时序：

电压参数：
CC电压在Source端（默认USB，1.5A@5V，3.0A@5V，）
CC电压在Sink端（仅默认USB Type C电流，多种Source电流建议（如下表））

7. 功能性扩展
7.1 替代模式
替代模式不能在USB Hub拓扑中，必须在Host和Device直连环境下，支持替代模式的可选条件：
（1）USB PD构建VDMs去发现、配置和进入/退出模式到替代模式
（2）设备强烈鼓励提供等价的USB功能，并提供一些扩展功能，使用户获得更好的体验
（3）没有等价的USB功能实现，设备必须提供USB接口并能提供设备识别信息
替代模式要求：
（1）Host和Device必须在构建VDM之前协商一个明确的约定，用来发现和进入替代模式
（2）UFP需要发送ACK在切换替代模式（进入和退出）完成，进入替代模式失败，设备最低表现是USB2.0，并VBUS供电
（3）在替代模式，引脚RX1和RX2使用并AC耦合在USB Type C插头；引脚TX1和TX2使用并为替换模式的USB高速信号在系统中使用阻塞电容；USB Type C插座接收信号不能超过USB3.1定义的VTX-DIFF-PP值
USB DisplayPort Dock例子：

该Dock使用USB PD管理充电和电源，使用DP驱动到HDMI适配器并连接到HDMI插座，有一个USB Hub支持两个USB端口和一个USB内部设备（如USB音频设备/3.5mm耳机插座），USB BillBoard设备。
System Host的三种功能情形：
（1）主控系统不支持USB PD或者支持的USB PD不支持构建VDMs：不会查找SVID，发现和操作USB Hub，不会发送进入模式命令，报告连接的USB BillBoard设备是不支持设备
（2）主控系统支持USB PD并支持构建VDMs，但是不支持该Dock：发现和操作USB Hub，识别到SVID但是VID不认，如果VID认但不认为是该Dock，报告连接的USB BillBoard设备是不支持设备
（3）主控系统支持该Dock：查找和识别到该Dock SVID，要求并识别该Dock的VID模式，使用进入模式命令重新配置USB Type C插座并进入USB DisplayPort Dock模式，可能显示USB BillBoard设备类接口给OS提供更多信息

其整个操作过程总结如下：
（1）Host通过CC引脚检测设备的出现和连接头方向
（2）Host申请默认的VBUS
（3）Host申请VCONN，因为Dock出现Ra
（4）Host使用USB PD与Dock订立Power约定
（5）Host运行发现识别过程：发送发现识别信息；收到ACK信息并带有电缆识别信息
（6）Host运行发现SVIDs过程：发送发现SVID信息；收到ACK信息并带有SVIDs列表
（7）Host运行发现模式过程：发送发现模式VDM为预先发现VIDs；接收到ACK信息并带有每个VID的模式列表；如果USB DisplayPort Dock的模式没有发现，Dock超时并出现USB BillBoard设备类接口，OS会通知用户这个错误并完成
（8）Host运行进入模式过程：发送带VID和USB DisplayPort Dock模式的进入模式VDM；收到ACK信息，Host连上Dock并支持DP信号到联合USB信号额外功能接口
（9）Host一直待在Dock模式，直到退出模式的VDM出现、系统物理断开连接、USB PD硬重启、VBUS移除。
7.2 管理的主动电缆
通过USB PD构建VDM发现和配置该电缆，读取插头的VCONN出现，如下图：