USB Type C規(guī)范詳解

目前USB Type C接口應用非常廣泛，可以傳輸DP，USB，PCIE，音頻等信號，已經(jīng)不是純粹的用來傳輸USB信號了，即USB Type C擺脫了和USB的從屬關系，自己當家作主了。下面來介紹下USB Type C里面比較重要的點。

協(xié)議來源

USB官方網(wǎng)站上可以下載到最新的協(xié)議《USB Type-C Specification Release 1.4.pdf》，最新的為2019年4月3日。文末也會共享出來。

該協(xié)議主要內(nèi)容是：定義USB Type C的插頭，插座，和線纜

USB Type-C的Vbus的電流的檢測與使用

使用USB Type-C的源(主機或下游集線器端口)可以在vbus上實現(xiàn)更高的源電流，以便能夠更快地充電需要比USB3.2規(guī)范中指定的更多電流的移動設備或供電設備。所有USB主機和集線器端口都通過CC引腳來設置當前可用的電流水平。

USB PD各個模式供電能力如下表：

USB Type-C接口

Type-c接口有公頭和母座，如下圖：

Power有關的信號????

VBUS，USB線纜的bus power（和我們通常意義上VBUS保持一致），電源和GND都有4根線，這就是為什么能支持到100W的原因。? ????

VCONN（只有在插頭上才會有該信號），當線纜里有芯片的時候，用來給線纜里的芯片供電（3.3V或5V）。? ????

USB 2.0數(shù)據(jù)線，D+/D-。它們在插頭端只有一對，和舊的USB 2.0規(guī)范一致。但為了支持正反隨意插。在插座端定義了兩組，這樣插座端可以根據(jù)實際情況進行合適的mapping。

USB3.1/USB3.2數(shù)據(jù)線，TX+/-和RX+/-，用于高速的數(shù)據(jù)傳輸。插頭和插座端都有兩組，用于支持正反隨意插。

Configuration的信號，對插頭來說，只有一個CC，另外一個偽VCONN，對插座來說，有兩個CC1和CC2。

SUB信號，用于USB拓展功能，可用于模擬音頻。

USB Type-C電纜

如下表，USB2.0規(guī)范的電纜長度小于4米，USB3.2 Gen1的長度小于2米，USB3.2Gen2的電纜長度小于1米。

全功能USB Type-C電纜信號說明

上圖是標準的USB Type-C的電纜，高速信號差分對SDP都采用同軸線，信號地回流是通過屏蔽GND。

USB2.0/USB3.1/USB3.2線纜說明

如下圖，如果type-c線纜僅僅用作USB功能，那么其實有很多信號線是不需要的，只需要以下信號即可（USB3.2 Gen2x2除外）。USB2.0需要更少的線，其5-10信號是不需要的。

線纜的粗細線號

規(guī)范不指定金屬絲規(guī)。更粗的線造成較少的損失，但代價是電纜直徑和靈活性。多根電線可用于一條單線，如Vbus或地。建議使用最小的線號，以滿足電纜組裝、電氣和機械的要求。為了最大限度地提高電纜的靈活性，電纜的外徑應該盡可能的減小。一個典型的USB全功能型Type-C型電纜外徑可從4mm至6mm，而一個典型的USB2.0型Type-C電纜外徑可從2mm至4mm。一個典型的USB Type-C的USB3.1電纜外徑可以從3mm到5mm。

線號參考如下表：

阻抗控制

SDP屏蔽差分線的阻抗控制在90Ω±5Ω，單端同軸線控制在45Ω±3Ω。阻抗應該用200 ps(10%-90%)的上升時間來評估。

電源VBUS和GND

如下圖，電源的壓降要小于500mV，Gnd上面的壓降要小于250mV

配置通道（CC）詳解

配置通道CC的用途如下：

檢測USB設備是否接入；

檢測USB插入方向，并以此建立USB 數(shù)據(jù)通道的路由；

插入后幫助建立USB設備角色（誰為HOST，誰為Device）；

發(fā)現(xiàn)并配置VUBS，配置USB PD供電模式；

配置Vconn；

發(fā)現(xiàn)和配置可選的備用和輔助模式；

名詞解釋

在USB2.0端口，USB根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚨x了HOST/Device/OTG三種角色，其中OTG即可作為HOST，也可作為Device，在Type-C中，也有類似的定義。

DFP(Downstream Facing Port)：下行端口，可以理解為Host或者是HUB，DFP提供VBUS、VCONN，可以接收數(shù)據(jù)。在協(xié)議規(guī)范中DFP特指數(shù)據(jù)的下行傳輸，籠統(tǒng)意義上指的是數(shù)據(jù)下行和對外提供電源的設備。

UFP（Upstream Facing Port）：上行端口，可以理解為Device，UFP從VBUS中取電，并可提供數(shù)據(jù)。典型設備是U盤，移動硬盤。

DRP（Dual Role Port）：雙角色端口，類似于以前的OTG，DRP既可以做DFP(Host)，也可以做UFP(Device)，也可以在DFP與UFP間動態(tài)切換。典型的DRP設備是筆記本電腦。設備剛連接時作為哪一種角色，由端口的Power Role（參考后面的介紹）決定；后續(xù)也可以通過switch過程更改（如果支持USB PD協(xié)議的話）。

USB PORT的供電（或者受電）情況，USB Type-C將port劃分為Source、Sink。

Source：通過VBUS或者VCONN供電。

Sink：通過VBUS或者VCONN接受供電。

DRP(Dual-Role-Power)：既可以作為Source，也可以作為Sink。到底作為Source還是Sink，由設備連接后的配置決定。

Source和Sink的連接過程

Source和Sink的通用USB情況下，配置接口的典型流程如下：

首先，檢測端口之間的有效連接（包括確定電纜方向、源/接收器和DFP/UFP關系）。

其次檢測電纜的能力。

再次接通USB供電（協(xié)商USB電力傳輸，選擇供電模式，電池充電等）。

最后進行USB枚舉。

Source to Sink的連接檢測

如下圖，Source端是上拉電阻，Rp，Sink端接下拉電阻Rd

在未對接時，Source檢測到CC管腳都為高電平，Sink端檢測到CC管腳都未低電平。對接后，形成分壓，電平為中間值。Rp的阻值能表明Source能夠提供的功率水平。

源端CC1，CC2模型

如上圖

Source端使用一個MOS管去控制Vbus，初始狀態(tài)下，F(xiàn)ET為關閉狀態(tài)，Vbus不通。

Source端CC1/CC2均上拉至高電平，同時檢測是否有Sink插入，當不論哪一個管腳檢測到有Rd下拉電阻時，說明Sink被檢測到。Rp的阻值表明Host能夠提供的功率水平。

Source端根據(jù)Cable中哪一個CC引腳為Rd下拉，去建立正確的USB高速數(shù)據(jù)路由，同時決定另外一個CC引腳提供VCONN

當檢查到Sink接入后，Source使能Vbus和Vconn。

Source可以動態(tài)調整Rp的值，告知Sink端的電流提供能力發(fā)生變化，告知SINK最大可以使用的電流

Source會持續(xù)檢測Rd，檢測到拔出事件后會斷開連接，Vbus和Vconn都會斷開。

如果Source支持高級功能（PD或者Alternate Mode），會通過USB PD協(xié)議進行溝通實現(xiàn)。

Sink端CC1，CC2模型

如上圖

SINK的兩個CC引腳均通道Rd下拉到GND。

SINK通過檢測電源VBUS是否存在，來判斷Source的連接與否。

SINK通過CC引腳上拉的特性，來檢測目前的USB高速數(shù)據(jù)鏈路。

SINK可選地去檢測Rp的值，去判斷Source可提供的電流。同時管理自身的功耗，保證不超過Source提供的最大范圍。

同樣的，如果支持高級功能，通過CC引腳進行USB PD協(xié)議進行溝通實現(xiàn)。

DRP的CC1，CC2模型

DRP模式（雙向供電）如上圖：

DRP使用MOS管來啟用/禁用Vbus的電源傳遞，并且在開始時禁用Vbus。

DRP使用開關來決定自身是Source端還是Sink端。

DRP在Source和Sink之間的切換：在建立特定的穩(wěn)定狀態(tài)之前，DRP在將自己在Source和Sink之間交替進行，根據(jù)協(xié)議最終會確認是Source還是Sink。當DRP最終確定為Source端時，它遵循Source端操作協(xié)議來檢測Sink端是否接入。如果檢測到Sink端，則提供Vbus、Vconn，并繼續(xù)作為Source運行。反之，當DRP最終確定為Sink端時，它監(jiān)視Vbus以檢測它是否連接到一個Source，如果檢測到連接到Source，它將繼續(xù)作為Sink運行。

Source to ?Sink工作過程

工作過程如上圖：

剛開始Source和Sink均處于未連接狀態(tài)；

Source和Sink物理連接后，Source探測到CC的下拉電阻Rd信號，打開電源Vbus和Vconn；

然后Sink端會探測到Vbus，進入到連接狀態(tài)。

當Source和Sink處于持續(xù)狀態(tài)，Source會根據(jù)需要改變Rp來設置最大電流輸出能力。Sink會檢測Rd上面的電壓來獲取能從Vbus上獲得的最大電流值。Source會監(jiān)測CC管腳來判定Sink是否被移出。Sink會監(jiān)測Vbus是否存在來判定是否和Source斷開。

電流能力與Rd上電壓vRd的關系如下表：