USB Type-C技术分析与应用

2020(Sum. No 215)
2020年第11期
(总第215期)
信息通信
INFORMATION & COMMUNICATIONS
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：
(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
gnd | txi +| txi |bu | cci | m | d - | sbu |^is | RX2 |rx 2+GND
GND| RXh| RX1-^|sBU D- 1 CC2 ■! TX2-| TX2+GND
图1
要理解Type ・C 的原理，首先需要了解他的Pin 定义;从上
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
个VBUS 和4个GND.
(l)D+/D-：USB2.0数据总线，兼容之前的USB 标准。

⑵TX/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。

⑶SBU:辅助信号(Side band use),在特定的一些传输模
式时才用到，如DP 。

⑷VBUS ：用于电源传输,最高可以达到100W(5A/20V)o
(5)CC ：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。

1.2 Type-C 的检测流程
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
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。

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
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。

CC 线的连接示意图①,如下：
DFP moniron for
UFP monitors for
图2
注意:上图中的Pull-up 终端可以用电流源来代替。

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：
[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
学,2018.
[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 .
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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
UFP终蜩
未翻转Open Rd己翻转
Open Ra
供电电缆(UFP未连接)
未翻转Ra Open己翻转
Rd Ra
供电电缆+UFP终竭
未翻转Ra Rd已翻转
Rd Rd Debug类型的终竭无
Ra Ra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。

2Type-C的Power Delivery功能
Power DeHvery:简称USB-PD.PD协议是由USB-IF规定,釆用32bit4b/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
优先级工作模式标称电压量大电流电高USBPD可配覽，最高达到20V Upto5A 1r USBiype-C电流@3A5V3A USBiype-C电流@1.5A5V 1.5A
USBBC125V Upto1.5A
USB3.15V900mA 鼓低USB2.05V500mA
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20V/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3Source端Rp范围及电流能力
DFP电流能力电阻上拉到
4.75V-
5.5V
电阻上拉到
3.3V±5%
电潦源连接至
1.7V-5.5V
默认USB功率
(USB2.0=500mA,USB3.0=900mA
>
56Ki20%36K12080uA±20%
1.5A@5V22K±5%12K15%180uA±8%
3.0A@5V10K±5%47Ki5%330uA±8%
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0.94V.DFP也会被识别为1.5A/5V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
3A131V 2.04V
1.SA0.7V 1.16V123V
默认USB(500mA/900mA)0.25V0.61V0.66V
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20V/5A,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1W。

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。

3Type-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。

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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。

⑵PD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。

4RK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 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USB3.1Type 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USB3.0SS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 Release1.2
⑵DP_Alt_Mode_on_USB_iype-C_vl.0
[3]USB_PD_R2_0V1.2
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