USB Type-C技术分析与应用

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2024年4月30日发(作者：)

2020

年第

11

期

(总第

215

期)

信息通信

INFORMATION

&

COMMUNICATIONS

2020

(Sum.

No

215)

USB

Type-C

技术分析与应用

阮志芳

(瑞芯微电子股份有限公司

，

福州福州

350003)

摘要:

Type

■:是

USB4F

协会于

2014

年公布的新一代

USB

接口,其轻薄

、

可正反插

、裔速

、

多功能

、

更裔的灵活性、

兼容性

等优点

，

受到整个业内及消费者的亲睐和嘱目。

它提供了数据

、

电能和音频视频传输的宪整协议框架

，

同时具有自定义

数据包功能

，

和

Type-C

标准接口相辅相成

，

为消费电子应用带来革命性的变化

。

关键词:

Type-C

;

DFP;UFP

;

DRP

;PD;DP;

BMC

中图分类号:

TP273

文献标识码:

B

文章鋪号:

1673-1131(2020)11-0100-03

1

iype-C

概述

USB

TypeC

是一种新的插座

，

插头和线缆标准

，

是兼容现

有的

USB

接口,所有的

Typ.C

口工作在如下的三种接口类型

之一

：

通过

CC

检测,

DFP

和

UFP

之间的配置步骤如下:检测有

效联接

f

建立供电方式

f

配置交替模式

。

连接过程中先通过确定是

CC1

建立了连接

，还是

CC2

建

(1)

DFP

(Downstream

Facing

Port):

host

(2)

UFP

(Upstream

Facing

Pwt):

device

(3)

DRP

(Dual

Role

Port):

host

or

device

1.1

USBI>pe£

的接口定义①

插座接

口

(Recqjtacle)

□SB

Type-C

Full-Feature

Receptacle

Interface

立了连接来判断正反插方向,使用

USB-PD

BMC

码信号通信,

从而控制设备内部的开关来正常配置数据传输和信号对应关

系

，

实现负载的功能配置

。

当其中一跟

CC

线作为

Type-C

的

接口配置信号时

，

另一个信号作为电缆线

E-Marker

芯片的供

电电源

，详见下文的

Vconn

电源介绍

。

1.3

CC

的检测原理

CC

的两根线:

CC1

和

CC2,

大部分

USB

线(不带芯片的

线缆)里面只有一根

CC

线

DFP

可根据两根

CC

线上的电压

，

判断是否已经插入设备

。

通

过判斷哪根

CC

线上有下拉电阻来判断方向

。

gnd

|

txi

+|

txi

|

bu

|

cci

|

m

|

d

-

|

sbu

|^

is

|

RX2

|

rx

2

+

GND

GND|

RXh|

RX1-^|sBU

D-

1

CC2

■!

TX2-|

TX2+

GND

如果

CC1

引脚检测到有效的

Rp/Rd

连接(对应的电压)

，

则认为电缆连接未翻转

。

如果

CC2

引脚检测到有效的

Rp/Rd

连接(对应的电压

〉，

则认为电缆连接已翻转

图

1

要理解

Type

・

C

的原理

，

首先需要了解他的

Pin

定义;从上

注意:

SSTX/RX

通道在工作中被交换

，

而

D+/D-

由于是低

速信号不需要交换

。

图可以看出,

TVpe-C

有

4

对的

TXZRX

差分线、

2

对的

D+/D-

、

一对

SBU

、

2

个

CC

(Plug:

一个

CC,

一个

Vconn)

,

另外还有

4

CC

线的连接示意图①,如下

：

DFP

moniron

for

UFP

monitors

for

个

VBUS

和

4

个

GND.

(l)D+/D-

：

USB2.0

数据总线

，

兼容之前的

USB

标准

。

⑵

TX/RX

：

USB3.1

(lOGbps

〉

高速数据总线,正插时用

TX1/

RX1

两对信号

，

反插时用

TX2/RX2

两对信号;多出来的两对

TX/

RX

可用于数据扩展,可以给

USB32(20Gbps)

或者给

DP

用

。

⑶

SBU:

辅助信号

(Side

band

use)

,

在特定的一些传输模

式时才用到

，

如

DP

。

⑷

VBUS

：

用于电源传输,最高可以达到

100W(5A/20V)o

CC

(5)

：

通道配置引脚

，

是

Type-C

接口的灵魂引脚

，

主要

功能有检测

USB

端口的连接

，

正反插方向确认

、

角色互换

，

通

讯和配置

Vconn

电源

、

终端设备类形判断等功能

。

图

2

注意:上图中的

Pull-up

终端可以用电流源来代替

。

1.2

Type-C

的检测流程

收植日期

：

2020-09

・

28

作者简介:阮志芳

(

1979-)

,

男

,

福建莆田人

，

本科学历冲级工程师

，

主要从事工作:芯片的前期验证,硬件研发等硬件相关工作

。

参考文献

：

学

,201

8.

[1]

孙晓飞.丽应用漏洞分析与检测的研究

[D]

.

北京:北京

邮电大学

,2016.

⑵肖泽力

.SQL

注入攻击检测方法研究

[D].

长春:东北师范大

[3]

翟涵.基于网络爬虫的

Web

安全扫描工具的设计与实现

[D].

北京:北京邮电大学

2018.

[4]

开源中国社区.建站系统开源软件

[EB/OL[.

[2016-0120]

.http:

/project/tag/256/web-system

.

100

信息通信

图

2

中有三个电阻

Rp

、

Rd

、

Ra,

通过

CC

线上面这三个不

同电阻的连接来判断是

DFP,

UFP,

Power,

Debug

还是

Audio

辅助设备以及连接方向

。

从

DFP

的角度看,下表列出了所有可能的连接状态

：

表

1

CCI

CC2

连接的终端设备

连接位置

Open

Open

无终竭连接

无

Rd

Open

未翻转

UFP

终蜩

Open

Rd

己翻转

Open

Ra

未翻转

供电电缆

(

UFP

未连接)

Ra

Open

己翻转

Rd

Ra

未翻转

供电电缆

+UFP

终竭

Ra

Rd

已翻转

Rd

Rd

Debug

类型的终竭

无

RaRa

音频适配器类型的终靖

无

以上只是介绍了

CC

检测中判断是否翻转的原理和设备

识别

，

两个

CC

信号还有向

UFP

通告

DFP

提供电流能力的功

能等

，

见下文

。

2

Type-C

的

Power

Delivery

功能

Power

DeHvery

:简称

协议是由

USB-IF

规定,

釆用

32bit

4b/5b

编码的双向标记编码

(

Bi-phase

Mark

Coded^

BMC)

；

釆用

CC

线通信,

DFP

是总线主设备

，

用于发起所有通信

。

USB

Type-C

电源策略优先级③

，

如下表

。

表

2

1

优先级

工作模式标称电压量大电流

电高

r

USBPD

可配覽

，

最高达到

20V

Upto5A

USBiype-C

电流

@3A

5V3A

USBiype-C

电流

@1.5A

5V

1.5A

USBBC12

5V

Upto

1.5A

USB

3.1

5V

900mA

鼓低

USB

2.0

5V

500mA

从表

2

可以看出

,USB

Type-C

并不是必然支持

20V/5A,

在默认情况下是传统

USB2.0/3.0

规范的电流;但

USB

Type-C

规范了与

PD

通信的策略

，

通过

CC

可配置为最大支持

5V/3

A

。

在大功率的电源策略中

,USBType-C

规定了设备必须具备

USB

PD

通信能力,且传输线上有

E-Marker

芯片支持的情况

下

，

才能支持到

20

V/5A

。

且通过

CC

信号来配置设备的类型

(DFP/UFP)

以及

Source

及

Sink

能力

，

Type-C

的逻辑电路会

通过

CCPIN

上的上下拉电阻来区分其电源的角色(如图

2)

。

Source

端输出电源的能力取决于

DFP

的上拉电阻

Rp

大

小,

Rp

可以上拉到

5V

或者

3.3V,

或者用电流源,

UFP

端的下

拉电阻为固定值

Rd=5.1K,

如下表是所有可能的配置

，

可以选

择下表中右边的任何一列来做上拉方式

，

规定了其所能提供

的不同电流能力③

。

表

3

Source

端

Rp

范围及电流能力

DFP

电流能力

电阻上拉到

电阻上拉到电潦源连接至

4.75V-5.5V

3.3V±5%

1.7V-5.5V

默认

USB

功率

(

USB2.0=500mA,USB3.0=900mA56Ki20%

36K120

80uA±20%

>

1.5A@5V

22K±5%12K15%

180uA±8%

3.0A@5V

10K±5%

47Ki5%

330uA±8%

101

阮志芳:

USB

Type-C

技术分析与应用

当

DFP

给

CC

引脚提供

180uA

的电流时,

CC

弓

［

脚上电压

则为

180uA

*

5.1kOhms

=

0.918V

。根据下表,

DFP

则被识别

为

1.5A/5V

标准

。

当

DFP

用

22k

电阻把

CC

引脚上拉至

4.75-5.5V

时,

CC

引脚上的电压则为

也会被识别

为

1.5A/5

V

标准

。

CC

管脚上不同的电压所对应的

DFP

能供电的能力如下

表

：

表

4

电流通告能力及其电压范围

电流通告

最小电压量大电压钳位电压

3A

131V

2.04V

0.7V

1.16V

123

V

默认

USB(500mA/900mA)

0.25V

0.61V

0.66V

支持大功率电力传输是的是

Type-C

的一个特性

。

VBUS

上的电压

、

电流是可配置的

,

最大支持到

20

V/5

A,

可以根据

设备的实际供电能力

，来灵活设计符合相关

PD

协议的产

品

。

带电子标签的线缆

，其中一个

CC

管脚被更名为

VCONN,

用于给电子标签芯片供电

。

这个

VCONN

管脚与

GND

之间

需要一个

Ra

电阻

，

这个电阻值范围是

800Q-1.2KQ,,

VCONN

的允许范围是

4.75V-5.5V,

要求供电能力是

1

W

。

默认情况下

DFP

提供这个电源

。

如果两个

DRP

连接,则双方

可以通过

USB

PD

协议协商来交换

VCONN

供电方

。

支持

PD

的

USB3.0

接口均需支持

VCONN,

如果其中一

个

CC

引脚上检测到有效的

Rp/Rd

连接,再检测另一个

CC

脚

上是否有

Ra

存在

，

如果有说明需要

Vconn

供电

，

此时

CC

脚

切换到

Vconn

。

然后

CC

线通过通讯协商

，

配置输出电流。

检

测过程不需要

Vconn

存在

。

注意:带

DRP

功能的

CC

引脚

，

每

个

CC

引脚内部都有一个开关,可以在

CC

和

Vconn

之间轮询

切换

。

3

Type-C

的

DP

功能

DisplayPort

(下简称

DP)

是目前流行的高清显示接口标

准

，

视频电子标准协会

(VESA)

在

2006

年

5

月发布

VI.

0

版本

，

传统

DP

接口连接器有

2

种尺寸：

标准

DP

和

mini-DP,

直到

2014

年

VESA

公布了基于

USBType-C

接口标准的

Display-

Port

交替模式

(ALT

mode)

,

于是

Display

Port

出现了第三种

连接器。

从图

1

可以看出

，

正常情况下

USB3.1

只用到

2

对

TX/RX

差分线作为数据线

，

还有

2

对

TX/RX

没有被使用

，

当

DFP

认

到

device

为

DP,

便切换

MUX/Configuration

Switch,

让剩余的

两对

TX/RX

信号脚配置为

DP

信号;此时可以支持到

4K

；

这

样

DP

和

USB

口可以共享连接设备

，

可以让

Type-C

接口的设

备(如手机)轻松的连接鼠标

、

键盘

、屏幕等周边设备

。

还有一种情况是若不需要

USB3.1

，

那

4

对

TX/RX

差分线

都可以用来传输

DP

的信号

，

这样可以提供高达

32.4Gbps

的

总输出带宽(每条

lane

可输出

8.1Gbps),

由于

Type-C

中还有

一组

USB2.0

可以用来通讯

，

配合

DP,

可以组合成

USB2.0+DP

的方式

，

USB2.0

可以用来做鼠标

、

键盘的通讯

，

DP

用来做显

zj

O

Type-C

的

SBU

用来代替

PCIE

的辅助信号

AUX_P/AUX_

N

的差分线,用于读取扩展显示识别数据

(EDID),

必确保

DP

信号的正确传输,读取显示器所支持的

DP

接口信息

。

AUX

信号在

Type-C

转

DP

插座中的连接②

，

如图

3

。

信息通信

图

3

DP

Alt

Mode

规定

DP

的热拔插检测

(Hot

plug

detect

简称

HPD

〉

状态信息必须通过

USB

的

PD

消息进行传输

，

也就是通

过

CC

线来传输;因此在

Type-C

转

DP

的线缆中,

HPD

信号是

通过其中的一根

CC

脚来识别

。

当

DP

设备插入到

DFP

接口,根据

CC

的上下拉电阻,

CC

Controller

(也叫

PD)

可以判断连接线插入方向

,

确定方向后一

根

CC

线用来与设备通讯

，

另外一根

CC

线用来做

Vconn

供电

给设备;然后开始通讯

。

连接一台正常的

DP

设备

，

流程如下

：

(1

〉

询问对方设备的类型

，

如果设备端支持

DP,

发送端会

要求设备端把

SBU

切换到

AUX

功能

。

⑵

PD

模块通知

DP

控制器

，

DP

控制器再根据正反插方

向完成

DP

主数据线和

AUX

在

Type-C

接口上的映射

；

(3)

DP

控制器通过

AUX

线读取设备端的

EDID,

DPCD

等信息,决定

lane

数量,最高输出频率

，

幅度等信息

；

⑷通过

AUX

的协助

，

完成对

DP

主线的

training,

确定最

终使用的波形参数

，

如频率,幅度,码形

、

预加重

；

(5

〉

完成以上步骤后

，

开始传输音

、

视频信号

。

4

RK

的

CHROMEBOOK

平台的

l^pe-C

方案设计

按

GOOGLE

要求,

CHROMEBOOK

平台必须支持标准的

TYPE-C

功能,

RK3XXX

芯片的

CHROMEBOOK

平台支持标

准的咖V接口

,该规范包括支持数据传输(包括视频传输

〉

,

电源协商和传输

。

也就是可以实现

USB3.1

数据传输,

Display

Port

传输以及

5V/3A

的

Power

Delivery

功能

。

实现框图如下图

：

CC

控制器主要功能是员责

CC

插入检测

，

通道配置,

PD

阮志芳:

USB

Type-C

技术分析与应用

检测和协议控制等

。

RK3XXX

集成了

USB/DP

开关控制模块,内置了

USB3.1

TVpe-C+DP

的交替模式

，

应用上可输出

41anes

DP,

21anes

DP+21anesUSB3.1

未翻转和

21aneDP+21aneUSB3.1

翻转三种

情况

。

如下图为

USB3.1

Type

C+DP

Alt

的完整模式

：

通过软件，

可以配置成如下

3

种应用场景

：

(1)

场景

1

：

41ane

的

DP

或者全功能的

IypeC(21aneTX+21ane

RX)

接口输出

。

(2)

场景

2

：

USB3.1+2Lane

DP

AIT

Mode

(未翻转),上图中的

LaneO

RX

和

LaneQJX

配置成

USB3.0

SS

脚

，

Lanel

的

TX

和

Lane3

的

TX

组成

DPTX

的

LaneO

和

Lanel.

⑶场景

3

：

USB3.1+2LaneAETMode

(翻转),上图中的

Lanel

RX

和

Lane2_TX

配置成

USB3.0SS

脚,

LaneO

的

TX

和

LaneZ

的

TX

组成

DPTX

的

LaneO

和

Lanel.

工作原理如下

：

当

RK3xxx

为

DFP

(host)

时,插入

UFP

设备时,通过

CC

检测

，

判断正反插

，

开始通讯识别插入的设备类型

，

识别成功

后,开始询问对方设备,若是

UFP

设备,则通过内部

USB/DP

开关

，

分配相应的通道,读取相关设备的信息

，

握手成功后

，

开

始数据传输

；

若插入的设备是电源

Adapter,

采用

BMC

码同

UFP

设备通讯

，

握手成功后

，

设置允许的充电电流

，

打开

Vbus

通道向

UFP

放电

。

当

RK3xxx

为

UFP

(Device)

时

，

插到

DFP

设备时,

DFP

的

操作如上,

RK3xxx

向

DFP

咨询供电能力

，

通讯成功后,

打开充

电

IC,

设置充电电流

，

开始接受充电和系统供电

。

5

结语

目前

，

各种高端笔记本

、

二合一平板新出的产品都将支持

TVI0C

接口

，

相比

USB3.0

的

9

引脚,提升到现在的

24

引脚,

数据传输引脚翻倍

，

新加入的

CC

引脚

，

可以用来

PD

充电

，

此

功能也就是我们熟知的

USB

PD

快充

。

TypsC

座子体积小，

使用方便

，功能多

，

各种配套线材齐全

，

再加上国际大牌的使

用和推广

，

相信不久后的将来

，

咖

£

将毫无疑问地统一消费

类电子产品接口

。

參考文献

：

[1]

USB

Type-C

Specification

Release

1.2

⑵

DP_Alt_Mode_on_USB_iype-C_vl

.0

[3]

USB_PD_R2_0V1.2

102

本文标签： 设备连接配置检测