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细谈Type-C、PD原理(上/下)_usb-c pd

usb-c pd

一、Type-C简介以及历史

自1998年以来,USB发布至今,USB已经走过20个年头有余了。在这20年间,USB-IF组织发布N种接口状态,包括A口、B口、MINI-A、MINI-B、Micro-A、Micro-B等等接口形态,由于各家产品的喜好不同,不同产品使用不同类型的插座,因此悲剧来了,我们也要常备N中不明用途的接口转接线材。

图1 USB协议发布时间节点

而对于Type-C来说,看起来USB标准化组织也是意识到统一和标准化问题,在定义标准时,除了硬件接口定义上,还增加了一部分“个性化”特点。分别是什么呢?

1.1 定义了全新的接口形态(Pin Assignments)

接口大小跟Micro USB相近,约为8.3mm x 2.5mm,支持正反插,同时也规范了对应的线材,接口定义如下(线材端只有一对USB2.0 DATA):

图2 Type-C端口的PIN定义-1

图3 Type-C端口的PIN定义-2

在插座定义上,定义了如下两种插座:

a)全功能的Type-C插座,可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。

b)USB 2.0 Type-C插座,只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。

在插头定义上,定义了如下三种插头:

a)全功能的Type-C插头,可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。
b)USB 2.0 Type-C插头,只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。
c)USB Type-C Power-Only插头,用在那些只需要供电设备上(如充电器)。

在线缆定义上,定义了如下三种线缆:

a)两端都是全功能Type-C插头的全功能Type-C线缆。
b)两端都是USB 2.0 Type-C插头的USB 2.0 Type-C线缆。
c)只有一端是Type-C插头(全功能Type-C插头或者USB 2.0 Type-C插头)的线缆。

还定义了N种为了兼容旧设备的线缆:

a)一种线缆,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Type-A插头。
b)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Type-A插头。
c)一种线缆,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Type-B插头。
d)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Type-B插头。
e)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Mini-B插头。
f)一种线缆,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Micro-B插头。
g)一种线缆,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Micro-B插头。
h)一种适配器,一端是全功能的Type-C插头,另一端是USB 3.1 Type-A插座。
i)一种适配器,一端是USB 2.0 Type-C插头,另一端是USB 2.0 Micro-B插座。

以上这些线材,我们知道,Type-A接的是HOST,所以转接线中,CC引脚需要接上拉电阻。Type-B接的是Device,因此CC引脚需要接下拉电阻。

其中,具备全功能的Type-C应该具备E-Marker功能,由于具备E-Marker,线缆能够被读到其带电流的能力、特性、线材ID等等。E-Marker的供电电源来自于VCONN,如何知道线缆需要VCONN呢?线缆会通过下拉的电阻Ra,Source检测到之后会提供VCONN。

以上的定义均为标准的插拔端子以及线材,对于固定的连接器,而进行不同的状态连接的描述,分为C/D/E Pin Assignments

其中C表示4lane,即4对差分对均传输DP,定义如下,用于连接有源线材时的定义。D表示2lane传输,2对差分对传输DP信号,2对差分对传输USB3.0信号,E也是4lane,定义如下

图4 Type-C的PIN ASSIGNMENT

1.2传输速率,供电效能

最大传输速度10Gb/s,即是USB 3.1 Gen2标准,也支持4 Lane DP模式,传输高清图像,在供电部分,最大可以支持100W(20V/5A)

图5 USB端口的供电能力

1.3 “个性化”协商机制

由于端口一致,线材两端接口也一直,为了能够区分两端USB设备的角色(Host/Device),必须有一套协商机制,便于进行角色确认,这部分通过CC(Configuration Channel)管脚进行设置。后面随着PD规范的面世,CC脚开始被用来做简单的半双工通信,用来完成POWER供给的协商

1.4 强悍的一统天下的态势

由于Type-C的扩展功能(SBU1/SBU2),大部分配件诸如耳机、视频接口、Debug接口等等都可以实现兼容设计,成功逆袭以往所有的USB标准,成功上位!

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

2.1 Type-C的 Data Role

在USB2.0端口,USB根据数据传输的方向定义了HOST/Device/OTG三种角色,其中OTG即可作为HOST,也可作为Device,在Type-C中,也有类似的定义,只是名字有了些许修改。如下所示:

(1)DFP(Downstream Facing Port):

下行端口,可以理解为Host或者是HUB,DFP提供VBUS、VCONN,可以接收数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输,笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。其中DFP-U表示USB的Host,DFP-D表示DP的Source

(2)UFP(Upstream Facing Port):

上行端口,可以理解为Device,UFP从VBUS中取电,并可提供数据。典型设备是U盘,移动硬盘。其中UFP-U表示USB的Device,UFP-D表示DP的Sink

(3)DRP(Dual Role Port):请注意DRP分为DRD(Dual Role Data)/DRP(Dual Role Power)

双角色端口,类似于以前的OTG,DRP既可以做DFP(Host),也可以做UFP(Device),也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。设备刚连接时作为哪一种角色,由端口的Power Role(参考后面的介绍)决定;后续也可以通过switch过程更改(如果支持USB PD协议的话)。

2.2 Type-C的Power Role

根据USB PORT的供电(或者受电)情况,USB Type-C将port划分为Source、Sink等power角色

如下图显示常用设备的Data Role和Power Role

图6 Type-C设备的分类

Power Role 详细可以分为:

a)Source Only

b)默认Source,但是偶尔能够通过PD SWAP切换为SINK模式

c)Sink Only

d)默认SINK,但是偶尔能够通过PD SWAP切换为Source模式

e)Source/SINK 轮换

f)Sourcing Device (能供电的Device,显示器)

g)Sinking Host(吃电的Host,笔记本电脑)

三、Type-C的Data/Power Role识别协商/Alt Mode

USB Type-C的插座中有两个CC脚,以下的角色检测,都是通过CC脚进行的,但是对于插头、或者线缆正常只有一个CC引脚,两个端口连接在一起之后,只存在一个CC引脚连接,通过检测哪一个CC有连接,就可以判断连接的方向。如果USB线缆中有需供电的器件,其中一个CC引脚将作为VCONN供电。

3.1 CC引脚有如下作用:

a)检测USB Type-C端口的插入,如Source接入到Sink

b)用于判断插入方向,翻转数据链路

c)在两个连接的Port之间,建立对应的Data Role

d)配置VBUS,通过下拉电阻判断规格,在PD协商中使用,为半双工模式

e)配置VCONN

f)检测还有配置其他可选的配置模式,如耳机或者其他模式

3.2 连接方向、Data Role、Power Role角色检测

3.2.1 SourceSink Connection

图7 Source和Sink的连接示范

图8 Source和Sink的端接电阻连接示意

如图所示,Source端CC引脚为上拉,Sink端CC引脚为下拉。握手过程为接入后检测到有效连接(即一端为Host一端为Device),随后检测线材供电能力,再进行USB枚举。

如下图指示了Source端,在连接SINK之前,CC1和CC2的框图模型:

图9 CC1&CC2在连接前的状态

a)Source端使用一个MOSFET去控制电源,初始状态下,FET为关闭状态

b)Source端CC1/CC2均上拉至高电平,同时检测是否有Sink插入,当检测到有Rd下拉电阻时,说明Sink被检测到。Rp的阻值表明Host能够提供的功率水平。

c)Source端根据Cable中哪一个CC引脚为Rd下拉,去翻转USB的数据链路,同时决定另外一个CC引脚为VCONN

d)在此之后,Source打开VBUS,同时VCONN供电

e)Source可以动态调整Rp的值,去表示给Sink的电流发送变化,告知SINK最大可以使用的电流

f)Source会持续检测Rd的存在,一旦连接断开,电源将会被关闭

g)如果Source支持高级功能(PD或者Alternate Mode),将通过CC引脚进行通信

如下图指示了SINK端CC1和CC2框架:

图10 Sink端的CC1/CC2状态

a)SINK的两个CC引脚均通道Rd下拉到GND

b)SINK通过检测VBUS,来判断Source的连接与否

c)SINK通过CC引脚上拉的特性,来检测目前的USB通信链路(翻转)

d)SINK可选地去检测Rp的值,去判断Source可提供的电流。同时管理自身的功耗,保证不超过Source提供的最大范围

e)同样的,如果支持高级功能,通过CC引脚进行通信。

如下图指示DRP的CC引脚在链接之前的架构:

图11 DRP设备的CC状态

a)当作为Source存在的时候,DRP使用MOSFET控制VBUS供电与否

b)DRP使用Switch去切换自身身份作为Source,或者是SINK

c)DRP存在一套机制,分三种情况,去决定自身是SINK或者是Source,去建立两者间彼此的角色。

情况1:不使用PD SWAP,随机变成Source/SINK中的任意一个,CC脚波形为方波

图12 CC引脚上的方波

情况2:自身倾向于作为Source,执行Try.SRC,问对面能不能做SINK呀,我做Source

情况3:与情况2相反,自身倾向作为SINK,执行Try.SNK,你做Source,我做小弟

图13 Type-C 端口的角色转换

当然还存在Source&Source,SINK&SINK这种搞基模式,唯一的结果就是一直停留在Unattached.SNK/Unattached.SRC,无法终成眷属。

那如果CC波形插入的时候同时都为高电平呢?

(1)同时插入为高电平,但是由于不一定是完全同步,所以一定会有一个先拉高、或者先拉低

(2)如果波形完完全全理想同步,那么就是SINK/SOURCE/SINK/SOURCE如此重复下去

另外需要注意的是,Try.SNK/Try.SRC这两个动作,是不需要用到PD协议的,通常在最初插入时发生

3.3 Type-C的其他模式

3.3.1 Display Port Alternate Mode

系统会通过USB PD协议中VDMs的信息通信(CC引脚通信),去告知支持Display Port模式。在这个模式当中,USB SuperSpeed 信号允许部分传输USB,部分传输DP信号。

图14 Type-C端口的Alternate Mode

3.3.2 Audio Adapter Accessory Mode

如下图,为3.5mm音频输入口转Type-C端口,USB2.0链路被用来传输模拟音频信号,若带MIC,MIC信号则连接在SBU引脚上,在这个模式当中,电源可以提供到500mA电流。

Host端如何识别到音频模式呢?把CC引脚和VCON连接,并且下拉电阻小于Ra/2(则小于400ohm),或者分别对地,下拉电阻小于Ra(小于800ohm),则Host会识别为音频模式。

图15 音频类应用框图

3.3.3 Debug Accessory Mode (DAM)

在DAM下,连接软体和硬体提供可视化调试和控制的系统,使用较少。

四、如何进行数据链路的切换

4.1 纯USB3.0

以TUSB546(DFP),TUSB564(UFP)为例子

前者的使用例子如笔记本电脑、后者的使用例子如Monitor

如下图,两端设备会根据插入方向,切换数据链路。图X插入连接为CC1,因此TUSB564切换到TX1/RX1

图16 2lane USB应用

图17插入连接为CC2,因此TUSB564切换到TX2/RX2,也就是根据CC引脚插入,识别插入方向

图17 2lane USB应用

4.2 USB3.1和2 LANE of DisplayPort

切换原理如上,需要注意的是,DP信号是使用SBUx进行传输

图18 2lane USB+ 2lane DP应用

图19 2lane USB+ 2lane DP应用

4.3 纯DP模式 4 lane

图20 4lane DP应用

问题思考:如何确定是DP 4 lane模式或者是DP 2 lane+USB3.0 模式?

通过CC引脚,利用PD协议沟通,协商,PD Controler 发起请求,并得到回应




细谈Type-C、PD原理(下)

嘻嘻~有催更就有动力~(虽然只有一个人催)

第二部分主要是一些专业名词的解释,另外就是PD原理的介绍,PD流程的分解、释义(有波形)

五、相关参数/名词解释

5.1 上拉电阻Rp

Rp有6个参数(5V档位和3.3V档位各3个),指示着不同的供电能力。

图1 不同的Rp值代表不同的供电能力

5.2 下拉电阻Rd

都是5.1K电阻下地,能否检测电源供电能力,取决于电阻的精度。

图2 不同的Rd值代表能否检测电源的能力

5.3 线材中的下拉电阻Ra

最小值800 ohm,最大值1.2K

图3 线材中的Ra下拉电阻

5.4 名词/连接状态解释

名词:

Alternate Mode Adapter(AMA):支持PD USB交替模式的设备,作为UFP存在

Alternate Mode Controller (AMC):支持PD USB交替模式的主机,作为DFP存在

Augmented Power Data Object(APDO):体现Source端的供电能力或者Sink的耗电能力,是一个数据对象

Atomic Message Sequence(AMS):一个固定的信息序列,一般作为PE_SRC_Ready, PE_SNK_Ready or PE_CBL_Ready的开始或者结束

Binary Frequency Shift Keying (BFSK):二进制频移键控

Biphase Mark Coding(BMC):双相位标识编码,通过CC通信

Configuration Channel (CC):配置通道,用于识别、控制等

Constant Voltage (CV):恒定电压,不随负载变化而变化

Current Limit (CL):电流限制

Device Policy Manager(DPM):设备策略管理器

Downstream Facing Port(DFP):下行端口,即为HOST或者HUB下行端口

Upstream Facing Port(UFP):上行端口,即为Device或者HUB的上行端口

Dual-Role Data (DRD):能作为DFP/UFP

Dual-Role Power (DRP):能做为Sink/Source

End of Packet (EOP):结束包

IR Drop:在Sink和Source之间的电压降

Over-Current Protection(OCP):过流保护

Over-Temperature Protection(OTP):过温保护

Over-Voltage Protection(OVP):过压保护

PD Power (PDP):Source的功耗输出,由制造商在PDOs字段中展示

Power Data Object (PDO):用来表示Source的输出能力和Sink的消耗能力的数据对象

Programmable Power Supply (PPS):电源输出受程序控制

PSD:一种吃电但是没有数据的设备,如充电宝

SOP Packet:Start of Packet,所有的PD传输流程,都是以SOP Packet开始,SOP*代表SOP,SOP’,SOP’’

Standard ID(SID):标准ID

Standard or Vendor ID(SVID):标准或产商ID

System Policy Manager(SPM):系统策略管理,运行在Host端。

VCONN Powered Accessory(VPA):由VCONN供电的附件

VCONN Powered USB Device(VPD):由VCONN供电的设备

Vendor Data Object (VDO):产商特定信息数据对象

Vendor Defined Message(VDM):产商定义信息

Vendor ID (VID):产商ID

状态:

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

六、PD协议简介

6.1 PD协议概况和通信过程

PD协议是Power Delivery,简单来说是一种快速充电标准。

包含PD协议的Type-C 系统从Source到SINK的系统框图大致如下:

Source和Sink各有一个PD芯片:

图4 PD的系统框图

在Source的内部包含了一个电压转换器,且受到PD控制器控制,他会根据输入电压的条件以及最高可输出规格需求,此电压转换器可以是BUCK、Boost、Buck-Boost或者反激转换器。整个通信过程都在PD控制器的管控之下,USB PD还有一个开关,用于切换VCONN电源(电缆包含电子标签时用到)。

当电缆接通之后,PD协议的SOP通信就开始在CC线上进行,以此来选择电源传输的规格,此部分由Sink端向Source端询问能够提供的电源配置参数(5V/9V/12V/15V/20V)。

SOP是DFP到UFP之间的通信包,SOP'是DFP和线材头部,SOP''是和线材尾部,统称为SOP*

图5 线缆中的SOP信号

如下波形为SINK 控制器申请一个9V电压输出的例子。

图6 CC波形(5V->9V->5V)

(1)SINK端发起SOP,申请获取Source能提供的规格资料

(2)Source回复能提供的规格列表

(3)SINK回复选择的电压规格,并带上所需要的电流参数,并发出相应的请求

(4)Source接受请求,并且把VBUS由5V抬升到9V

(5)在电压变化期间,SINK的电流会保持尽可能小,Source端VBUS到达9V并稳定之后,会发出Ready信号

(6)SINK端电流逐步抬升,若SINK需要降低电压,会重复以上过程

需要注意的是,在电压下降期间,Source为了让电压快速降低,Source会打开放电电路,达到额定值之后,Source会等待一段时间,电压稳定之后再发出Ready信号给SINK。

这种沟通方式的好处就是能确保任何电源的变化都能在SINK和SOURCE的规格范围内,避免出现不可控情况。

PD协议的通信编码为Bi-phase Mark Coded (BMC),通过CC脚进行通信,如下图。

图7 CC通信的BMC控制器

BMC码是一种单线通信编码,数据1的传输,需要有一次高/低电平之间的切换过程,而0的传输则是固定的高电平或者低电平。每一个数据包都包含有0/1交替的前置码,起始码(SOP),报文头,数据位,CRC以及结束码(EOP)

图8 BMC编码

如下图所示,展开后的CC脚PD通信波形

图9 CC引脚的信号图

BMC编码的通信,也可以使用分析仪进行分析,用来抓取每个数据包,并且获得数据包的作用,如电压电流等。

图10 Type-C协议(PD+AUX)的LOG

大家可以下载这个软件,我可以发一份LOG供学习参考,可以看到很多细节哦。

PD3.0规范中,定义了以下电源配置清单:

图11 Type-C PD规格

对于5V/9V/15V来说,最大的电流为3A,在20V的配置当中,如果是普通的电流,则最大能够支持20V/3A,即60W,如果使用的是带了E-Marker的线缆,则供电能达到20V5A,即100W。

支持超高速数据传输(USB3.1)或者是供电电流超过3A,电缆都必须使用E-Marker进行标识。线缆中有IC,他们需要从VCONN获得电源。

图12 E-Marker在线材中的架构

我们注意到,线缆中有1K的下拉电阻Ra,这样在线缆插入的时候,Source会识别到CC1和CC2电压下降的情况,具体的电压会告诉主机那个端子被Sink的5.1K下拉,那个端子被线缆的1K电阻下拉。因此线缆的插入方向也可以被识别到。Source就可以通过开关,给E-Marker提供VCONN。

如下图为带E-Marker的情况:

图13 插入后CC引脚的变化

(1)电缆接通之后,Source的一根CC线被来自VCONN的1K拉低

(2)Source检测到此电压,知道电缆中有E-Marker,因此切换VCONN到对应的CC引脚

(3)在之后,PD通信将会包含Source和E-Marker之间的通信(SOP'&SOP'')Source和Sink之间为SOP

图14 SOP*的通信

当设备为DRP时,设备的CC1和CC2为方波,一旦连接,CC端都会发生改变。

图15 CC引脚插入后的变化

在本次连接当中,左边的DRP做了Source,右边的DRP作为SINK,也有可能翻转过来。也可以本来就设定SOURCE或者SINK优先。

连接之后,想翻转也是允许的,只要发起角色变换请求就可以了。

图16 角色翻转时的波形示意

6.2 PD握手解析

如下是LOG的解析

图17 LOG解析

以下过程为Macbook2017+PD FL7102的通信过程,不同的PC和不同的PD由于自身配置的不同,过程会有所差异

(1)由于线材使用的为有源线材,带有E-Marker,因此通过SOP'对线材的Capability进行确认,此动作由PC发出,方向为OUT

(2)随后由于PD默认为RD,因此PC先发出Source Capability,声明能力为5V/3A,此时PC为Source,整机为SINK,整机请求5V/3A

(3)PC告知整机Power准备好了,并同时获取整机的SINK以及Source的能力

(4)PC通过Discover,获取PD的身份,并且从ACK中知道PD为AMA

(5)通过获取SVID得知其为Displayport

(6)此时PD会ACK PC,告知其支持的模式2lane,4lane或者是其他的定义接口

(7)PC在此沟通过程会在整机提供的多种模式中选择其中一种,一般选择2lane模式

(8)根据不同Source的不同角色需求,PD此时请求PRS(Power-Role-Swap),请求由SINK转为Source,PC Accept

(9)整机通过Source Capabality,发送PDO给PC(5V/3A 9V/3A 12V/3A 15V/3A 20V/3A)

(10)PC选出一个电压,并且返回一个电流给整机

(11)整机PsRdy,且发出中断,请求AUX通信,进入DP握手过程

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