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USB Type-C工作原理深度解析

2017-07-17 11:58作者:深圳德隆能源浏览数:234 
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自从Apple发布了新MacBook,就一堆人在说USB Type-C。我来从硬件角度解析下这个USB Type-C,顺便解惑。

特色

尺寸小,支持正反插,速度快(10Gb)。这个小是针对以前电脑上的USB接口说的,实际相对android机上的microUSB还大了点:

USB Type-C:8.3mmx2.5mm

microUSB:7.4mmx2.35mm

而lightning:7.5mmx2.5mm

所以,从尺寸上我看不到USB Type-C在手持设备上的优势。而速度,只能看视频传输是否需要了。

引脚定义

可以看到,数据传输主要有TX/RX两组差分信号,CC1和CC2是两个关键引脚,作用很多:

• 探测连接,区分正反面,区分DFP和UFP,也就是主从

• 配置Vbus,有USB Type-C和USB Power Delivery两种模式

• 配置Vconn,当线缆里有芯片的时候,一个cc传输信号,一个cc变成供电Vconn

• 配置其他模式,如接音频配件时,dp,pcie时

电源和地都有4个,这就是为什么可以支持到100W的原因。

不要看着USB Type-C好像能支持最高20V/5A,实际上这需要USB PD,而支持USB PD需要额外的pd芯片,所以不要以为是USB Type-C接口就可以支持到20V/5A。

当然,以后应该会出现集成到一起的芯片。

辅助信号sub1和sub2(Side band use),在特定的一些传输模式时才用。

d+和d-是来兼容USB之前的标准的。

这里说一下,USB3.0只有一组RX/TX,速度是5Gb,USB Type-C为了保证正反都可以插就用了两组,但实际上数据传输还是只用了一组RX/TX,速度就已经达到10Gb了。如果后面升级协议,两组都传的话就和DisplayPort一样20Gb了。

工作流程

上图DFP (Downstream Facing Port)也就是主,UFP (Upstream Facing Port)为从。除了DFP、UFP,还有个DRP (Dual Role port),DRP可以做DFP也可以做UFP。当DPR接到UFP,DRP转化为DFP。当DRP接到DFP,DRP转化为UFP。两个DRP接在一起,这时就是任意一方为DFP,另一方为UFP。

在DFP的CC pin有上拉电阻Rp,在UFP有下拉电阻Rd。未连接时,DFP的VBUS是无输出的。连接后,CC pin相连,DFP的CC pin会检测到UFP的下拉电阻Rd,说明连接上了,DFP就打开Vbus电源开关,输出电源给UFP。而哪个CC pin(CC1,CC2)检测到下拉电阻就确定接口插入的方向,顺便切换RX/TX。

电阻Rd=5.1k,电阻Rp为不确定的值,根据前面的图看到USB Type-C有几种供电模式,靠什么来甄别?就靠Rp的值,Rp的值不一样,CC pin检测到的电压就不一样,然后来控制DFP端执行哪种供电模式。

需要注意的是,上图里画了两个CC,实际上在不含芯片的线缆里只有一根cc线。

含芯片的线缆也不是两根cc线,而是一根cc,一根Vconn,用来给线缆里的芯片供电(3.3V或5V),这时就cc端没有下拉电阻Rd,而是下拉电阻Ra,800-1200欧。

当CC pin两个都接了下拉电阻<=Ra,DFP进入音频配件模式,左右声道,mic都俱全,如上图。

USB Type-C和DisplayPort,PCIE

USB PD是BMC编码的信号,而之前的USB则是FSK,所以存在不兼容,不知道目前市面上有没有能转换的产品。

USB PD是在CC pin上传输,PD有个VDM (Vendor defined message)功能,定义了装置端ID,读到支持DP或PCIe的装置,DFP就进入替代(alternate)模式。

如果DFP认到device为DP,便切换MUX/Configuration Switch,让Type-C USB3.1信号脚改为传输DP信号。AUX辅助由Type-C的SBU1,SUB2来传。HPD是检测脚,和CC差不多,所以共用。

而DP有lane0-3四组差分信号,Type-C有RX/TX1-2也是四组差分信号,所以完全替代没问题。而且在DP协议里的替代模式,可以USB信号和DP信号同时传输,RX/TX1传输USB数据,RX/TX2替换为lane0,1两组数据传输,此时可支持到4k。

如果DFP认到device为DP,便切换MUX/Configuration Switch,让Type-C USB3.1信号脚改为传输PCIe信号。同样的,PCIe使用RX/TX2和SBU1,SUB2来传输数据,RX/TX1传输USB数据。

这样的好处就是一个接口同时使用两种设备,当然了,转换线就可以做到,不用任何芯片。

总结

USB Type-C终结了长期以来USB插来插去的缺陷,节省了人们大量的时间,换一次方向至少2s吧,按全球10亿人每天插拔一次USB,50%概率插错,共耗时277000多小时,约为31年,太恐怖了。

一个接口搞定了音视频数据三种,体积还算小。可以预见,以后安卓机可以改为USB Type-C接口了,如果只需要USB2.0的话,只需要重做线缆,不用芯片,成本上完全可以忽略不计。

至于Thunderbolt,lightning,该怎样还是怎样吧,毕竟百花齐放才是五彩的世界。


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