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Type-C 的工作原理

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发表于 2024-10-27 21:43:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
本章节将主要对Type-C 工作原理进行大致分析,有兴趣不要忘记关注码思途远!前一章节:认识Type-C 与快充相关知识本章节可以帮你解决以下问题:Type-C 是可以盲插,为何还有正插反插的?Type-C 的CC的功能?Type-C 扩展功能功能?1. Type-C Port 行为和系统模型1.1 Type-C Port 行为USB Type-C 的功能大致分为两种:供电Power Supply,数据传输Data Transmission;在不一样的功能下,具有不一样的角色和行为:Power roles:Source :供电方的角色下,能为Sink 端提供电源,比如是充电器的一端;Sink :耗电方角色,计入Source 将消耗Vbus  Power,比如是充电宝;
  • Dual-Role-Power:DRP 作为Power 的Source or Sink,是可以动态进行切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。设备刚连接时作为哪一种角色,由端口的Power Role决定;后续也可以通过switch过程更改。Data roles:DFP-mode only :Downstream Facing Port, 下行端口,相当于USB中的Host 角色,相当于车载主机的USB;UFP-mode only :Upstream Facing Port 上行端口,相当于USB 中的Device角色,相当于U盘;Dual-Role Data :DRD 双角色,等于两种角色都可以,在软件中可以配置进行切换,相当于手机USB;

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    图中对于Data Role 和Power Role都有相应的设备举例。另外提一句USB 的角色进行区分Host和Device:在USB 总线是一个主从的数据总线,在一条总线当中,只能存在一个USB主机,其他都是为从机,这样才能正常通信上,在早期设计阶段就已经考虑到这个,在协议通信上上已经设计。1.2 USB Type-C 系统实现模型

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    USB Type-C 系统实现模型看出主要分为三大部分,左边通信接口,中间Type-C 管理,右边电源;这个部分在软件编码上有相应对应,通信,控制,充电管理。主要在中间部分:
    USB Type-C Port Controller
    ? Port Power Control for VBUS and VCONN ? USB Power Delivery PHY
    ? CC Logic Function
    USB Type-C Port Manager? Port Policy Engine? USB Power Delivery Protocol
    ? Interface to system software via UCSI
    2. Type-C CC引脚功能

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    正插:A1对A1
    反插:A1对B1
    重点查看CC1 / CC2(Configuration Cannel):侦测正反插、侦测cable有没有接上、判断哪边是DFP(Downstream Facing Port)及UFP(Upstream Facing Port)、配置Vbus、配置Vconn、配置其他模式(alternate or accessory mode)、PD沟通等,总言之,CC透过USB type C接线管理主从两端之间的沟通。2.1 检测 USB 端口角色

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    检测连接设备,通过CC脚检测对方是上拉、下拉进行判断状态,大致表格如图:

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    表中主要根据CC1 CC2 的引脚状态判断,当前接入,有6种状态。其中最后一种Audio Apdapter Mode attached,Type-C 耳机就是典型的一种应用;
    举例:可以看到CC1 CC2 都是下拉状态

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    2.2 识别电缆方向建立信号路由USB Type-C 中连接器是没有方向性,正插反插都无所谓,但是对于这个内部来说,是需要进行识别的,USB 3.2 Gen2x2及USB 4.0 Gen1x2,也需要识别两组差分对中哪一组作为LANE1,因此电缆识别对于USB Type-C是必须要做的一项工作。

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    2.3 两个DRP 连接协商对于连接两种都是DRP这种情况,等于说可以作为供电,可以是耗电。当DPR接到UFP装置,DRP会转换为DFP。当DRP接到DFP装置,DRP会转换为UFP。

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    从图中可以看到CC1 CC2 都是含有一个开关控制,在协商过程中,将通过芯片进行控制上拉,下拉,悬空等状态。2.4 配置VCONNType-C规范定义了内部有电路需要供电的主动电缆。Type-C电缆上一共有两个CC引脚,如果其中一个用来识别DFP与UFP,那么另外一个就可以用来作为VCONN为主动电缆提供电源。当DFP检测到下拉电阻为Ra=800~1200Ohms时,这个CC引脚将切换至VCONN对外输出4.75~5.5V,功率最大1W。2.5 发现并配置 VBUS发现并配置 VBUS,这个部分应该是属于Type-C 供电,多用于快充充电相关功能。对于USB Type-C 提供最大电流,需要CC pin 进行探测,Type-C 端口可以提供5V/3A ,但是如果配合使用USB PD 协议,供电能力将会大大提高,USB PD协议通过CC引脚传输协议数据,负责电源的协商和管理。CC引脚用于发现设备连接状态,并通过USB PD进行更复杂的电源协商。
    首先需要DFP 去检测当前连接的USB 角色,可以参考2.1 检测 USB 端口角色
    设备发现和协商
  • CC引脚检测:当设备连接到Type-C端口时,CC引脚的电阻值可以确定电源的能力和设备的电流需求。

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    CC :DFP通过CC引脚上的电压告知UFP供电能力,UFP端的下拉电阻Rd=5.1K,DFP就可以通过其上拉电阻或者电流源在CC引脚上产生电压。
    关于阻值的大小电流源规格如图:

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  • USB PD协商:通过CC引脚,设备可以使用USB PD协议与电源进行通信。USB PD协议允许设备和电源进行电流、电压以及功率的动态协商,从而确保所需的功率能够满足需求。

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    2.6 Type-C 其他功能关于Type-C 其他功能,重大Type-C规范定义了替代(Alt)模式与外设(Accessory)模式。这两种模式使得USB Type-C接口不仅能够传输数据和电力,还能支持多种外部设备和功能。2.6.1 替代模式(Alternate Mode, Alt Mode)替代模式允许USB Type-C接口支持非USB协议的数据传输。通过这种模式,可以在同一接口上使用不同的协议或标准,实现更多的功能扩展。功能:替代模式使得Type-C接口能够传输HDMI、DisplayPort、MHL等视频信号,以及其他专用数据协议。应用场景::视频输出,音频和数据,外部接口;2.6.2 外设模式(Accessory Mode)外设模式用于定义连接到USB Type-C端口的外部配件的行为。与替代模式不同,外设模式的重点在于设备与主机之间的配件功能,而不是数据协议的替代。功能:允许外部配件如键盘、鼠标、耳机等连接到主机设备,通过USB Type-C接口进行通信。应用场景外部配件:如键盘、鼠标、耳机等外设可以通过外设模式连接到主机设备,提供输入和输出功能。外围设备:例如USB Type-C到以太网适配器,可以在外设模式下进行网络连接。2.6.3 扩展应用Type-C 常见传输HDMI 信号,DisplayPort 信号,还有手机上Type-C耳机传输音频信号,还有出现的Type-C 外接显卡。

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    3. 总结本章节主要对Type-C的工作原理大致分析,主要有数据传输和供电两个大部分,另外主要在于CC 脚的分析,重点也是在CC ,理解CC 脚对Type-C 的理解也有更深的认识。由于Type-C 应用广泛,不仅在于充电,传输数据都有了很大提升,技术迭代,知识点也非常繁多。Type-C 已经成为了一种趋势,虽然目前还有很多Type A 口,但相信Type-C 将会拿宝座。另外提及到Type-C 线选择,这里建议选择这种全功能线,功能都可以实现,质量选择好一些问题不大。
    参考官网:
    https://www.usb.org/sites/default/files/D1T1-2%20-%20USB%20Type-C%20System%20Overview.pdf
    end

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