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USB TYPE-C詳解

作者: 編輯: 來源: 發布日期: 2017.07.02
信息摘要:
電能傳輸功能差異。USB Typc-C的特點在于,所有支持TYPE-C接口標準的設備都可以通過接口規范中的CC引腳的電平來向連接的另一方宣稱…

USB TYPE-C,是兩個詞,首先是USB,說明它是由USB-IF組織發布的接口標準。其次是TYPE-C,C是接口物理形式的版本號,相對于TYPE-A,TYPE-B而言的升級版。正如USB3.1是相對于USB2.0,USB1.0的升級版一樣,只不過,1,2,3 阿拉伯數字的版本號,是相對于接口數據傳輸協議而言,版本越高數據傳輸速度越快。A,B,C 則是相對于接口的物理形式進行的規定。過去的10多年里,A口是普通消費者用的最多的,即普通電腦上那個USB口,稱為A口母座,對應的插頭,稱為A口公頭,A口主要的作用是作為數據及電源的下行端口,即擁有A口母座的設備,在電源上來說,屬于供電設備( TYPE-C中稱為SRC即SOURCE),在數據傳輸上來說,屬于HOST(TYPE-C中稱為DFP即DownStream Face port)。B口,則反過來,屬于用電方(TYPE-C中的 SNK即SINK),數據傳輸上屬于Slaver(TYPE-C中的UFP即UPStream Face port)。最開始發布的B口,是方型的,做工業類應用比較多,因為體積大,又先后發布了Mini USB 和 Micro USB,其中的Micro USB形式的B口,成為了現在安卓手機的標配。而USB-IF推出C口的目的,則是把A口和B口合并起來,讓一個口,既可以擔當HOST,又可以擔當SLAVER。

USB TYPE-C詳解

TYPE-C帶來的變化包括:

USB TYPE-C詳解

第一、電能傳輸功能差異。USB Typc-C的特點在于,所有支持TYPE-C接口標準的設備都可以通過接口規范中的CC引腳的電平來向連接的另一方宣稱自己占用VBUS的意愿,較強意愿的一方最終向VBUS輸出電壓和電流,另一方則接受VBUS總線的供電。為了能夠更方面的使用這個總線定義。Type-C接口芯片(例如LDR6013),一般把從電源特性上把設備分為五種角色:SRC,TRY.SRC,DRP,TRY.SNK,SNK,這五種角色占用VBUS總線的意愿依次遞減。其中SRC相當于適配器,會持續想要向VBUS輸出電壓,TRY.SRC相當于移動電源,只有當遇上適配器時,才放棄輸出VBUS,DRP相當于筆記本電腦,可以接受適配器提供的電能進行充電,也可以輸出電能給手機充電。TRY.SNK相當于手機,正常情況下,期待對方給自己供電,但是遇上比自己還弱的設備,例如U盤時,也勉為其難的向對方輸出, SNK是不對外輸出電能的,一般為弱電池設備,或者無電池設備,例如u盤,鼠標,藍牙耳機。這個就是所謂的CC LOGIC。在CC LOGIC中,最難做的是移動電源。因為用戶要求移動電源要給一切能夠接受充電的設備進行充電,包括筆記本電腦。而市場上有部分筆記本電腦的CC邏輯是TRY.SRC,例如Chromebook,華為的Matebook等。于是,就出現了市面上部分移動電源無法充筆記本電腦的問題,經常出現筆記本電腦反過來往移動電源充電。電子工程師在移動電源設計階段就遇到了這個問題,并為之困擾。后來找到了一顆LDR6013,終于解決了這個問題。

第二、數據傳輸功能差異。傳統的USB接口,一般內部只有一個業務處理單元,例如USB3.0處理芯片,USB2.0處理芯片等。而TYPE-C接口,允許最多三組業務處理單元,可以通過對模擬開關的控制,同時支持兩組數據傳輸業務(一組USB3.0,一組USB2.0)加一組HDMI信號傳輸業務?;蛘呤侨M的任意組合。所以,一個TYPEC接口,最多可以支持三組傳輸加一組供電,共4種功能。

第三、電能及數據傳輸性能差異。USB TYPE-C支持正反插,由于正反兩面一共具有四組電源和地,在功率支持上有了大幅度的提升,最高支持20V,5A 100瓦傳輸能力。將帶來傳統用電器供電的革命。同時還兼具有公頭和母座兩層完整的金屬保護殼EMC防護,令傳輸速度可以上升到最高40G。

除了在手持設備接口上的一統天下之外,未來的家庭供電系統中,TypeC將占據重要地位,隨著低功耗技術的普及,家用電器中,除了冰箱、空調、洗衣機、干發器之外,其他用電器都可以使用USB TPYE-C供電,既方便又安全,從而,直流入戶供電方式不再是紙上談兵。

2015年3月,Apple發布了新MacBook,采用了USB Type-C,此舉引發業界熱議,蘋果前所未有的放棄自己的封閉體系,意味著TYPE-C接口有望統一所有手機、平板、PC等設備的有線接口,在有線時代終結前,形成接口和電纜大統一。下面讓我們來深入了解,TYPE-C接口的內部的實際結構,探究它一系列神奇特性的由來。

首先讓讓我們直接從USB TYPE-C 的Spec上截一個USB TYPE-C母座的pin腳圖來看看:

USB TYPE-C詳解

圖1 USB TYPE-C母座引腳圖摘自USB TYPE-C SPEC

可以看出,母座上有24根信號,其中電源和地占據了8根,用于提升電流傳輸能力,剩下16個,用于傳輸USB2.0的兩組信號是交叉相連的,去掉重復的兩個,一共是14個信號。包括我們所熟悉的2組共8根可用于傳輸usb3數據的RXx和TXx,USB2.0數據信號D+,D-和SBU1,SBU2,CC1,CC2。 其中SBU1,SBU2,CC1,CC2是傳統的USB接口所沒有的信號。CC是USB TYPE-C接口的靈魂所在,承載了TYPE-C連接過程中的傳輸方向確認和正反插確認功能,以及USB PD BCM碼信號傳輸功能,實現負載的功能配置。兩根線CC線,當其中一根CC作為TYPE-C接口的配置信號時,另一個CC則作為電纜上EMARKER芯片的供電電源。剩下的SBU1和SBU2為輔助信號,在不同的應用場景具有不同的用途。例如在ALT MODE 模式下進行DP信號傳輸時,作為音頻傳輸通道,在進入TYPE-C模擬音頻耳機附件模式,則作為麥克風信號傳輸通道。

那么,被提及最多的正反插,究竟是怎么實現的呢?秘訣在于CC公頭上。讓我們來看CC公頭的結構。

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圖2 TYPE-C公頭的信號結構

對比母座接線圖,我們可以看出,公頭只有一個CC,另外一個CC變成了VCONN,于是,當公頭插入母座的時候,公頭上的CC可能跟母座上的CC1連在一起,也可能跟母座的CC2連接在一起,分別對應著正插和反插兩種情況。母座上需要用一顆芯片來檢測是CC1建立了連接,還是CC2建立了連接,從而控制設備內部的SWITCH,來正確的適配數據傳輸,或者是音視頻傳輸的信號對應關系。

弄清了傳輸接口結構以及正反插識別原理之后,我們來看看電流傳輸的細節問題,根據USB-IF發布的標準,各版本的USB接口,電流傳輸能力如下:

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圖3 USB標準級最大傳輸功率摘自USB TYPE-C SPEC

從上表可以看出USB Type-C并不是必然支持20V/5A,默認情況下,只支持5V3A,必須在具備USB PD通信能力,并且傳輸線上有Emarker芯片的情況下,才可能支持到 20V/5A。當然,相對于制定標準這件工作本身的難度來說,設計USB PD芯片和EMARKER芯片其實是小菜一碟。正常情況下,標準發布后的半年內會有樣片,一年內會批量生產。例如國內已經有了支持CC logic的LDR6013芯片,以及支持USB PD的LDR6021和LDR6023芯片。

電能傳輸的情況,已經了解了,讓我們了解一下,具體的數據傳輸。在傳統TYPE-A USB3.0接口中,有一組rx和一組tx,共4根高速信號傳輸線,最高可以傳輸5G帶寬信號。而TYPE-C接口,則一共有兩組rx和兩組tx,共8根高速信號傳輸線,這是出于正反插考慮,對于USB3.0信號傳輸,每次只用其中一組。另外,還可以分開來使用,利用PD協商,進入ALT模式,把其中4根用于傳輸USB3.x信號,另外4根與sbu1和sbu2組合起來,用于傳輸2 lane的DP信號。也可以協商成8根差分線,與sbu1,sbu2組合,全部用于傳輸DP信號。這樣就是4lane的 DP信號了,最高分辨率可以上到8K。這些靈活的應用,讓type-c接口被賦予了無限的可能。說到底,就是能夠進行電源、數據、音視頻傳輸,而且都比舊的傳輸線的傳輸性能更優秀。真的是走別人的路,讓別人無路可走了。當然,TYPE-C雖然這么牛B,卻不要忘了,有線的傳輸還有另外一位高手,那就是光纖。其傳輸的極限帶寬,是按照T(1000G)來計算的。而且,現有的TYPE-C電能傳輸能力又足以支撐光纖MODEN。所以,如果在現有TYPE-C電纜基 礎上,把8根高速信號傳輸線換成一根光纖,誰知道會發生什么呢?

總結以上,USB Type-C終結了長期以來USB需要通過試錯法來多次重插的歷史,節省了人們大量的時間,換一次方向至少2s吧,按全球10億人每天插拔一次USB,50%概率插錯,共耗時277000多小時,約為31年,太恐怖了。一個接口搞定了電能、數據、音視頻數據三種傳輸需求,體積又小??梢灶A見,以后手機可以改為USB Type-C接口了,如果只需要USB2.0的話,只需要重做線纜,部分功能需要加上接口芯片,成本上完全可以忽略不計。而手機上到USB3.0,則真正的革命就要出現了。PC機可能不再被需要,一個手機,通過TYPE-C口輸出DP,接入顯示器就可以完成電腦的功能了。如果接上VR,那么整個世界都不一樣了。請問,還有誰會需要PC,筆記本電腦,這類20世紀的遺產嗎?

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