USB 供电：技术2 - USB Type-C 和角色交换

USB 供电：技术2 - USB Type-C 和角色交换

USB Type-C作为一种革命性的连接器标准，不仅带来了更高的传输速率和更强的供电能力，还引入了角色交换等创新功能。本文将深入解析USB Type-C的物理结构、连接机制以及角色交换技术，帮助读者全面了解这一改变生活的技术。

USB Type-C®插座

为了进一步提高便利性，USB Type-C采用垂直对称设计，使其可以在主机和设备端共同使用。因此，如图 1 所示，USB Type-C连接器由两组12个引脚信号组成，以实现倒置插入（可翻转）。USB Type-C插座有一条USB-PD专用的通信信号线（CC：配置通道），以及一个SBU信号，此信号是交替模式和USB4的专用低速信号通道，以及传统的USB信号。请注意，当插座组装在电路板的背面时，信号的顺序将颠倒，但这无法直观地看到。

图 1： USB Type-C 插座的引脚分配

USB Type-C 线缆

如图2所示，标准 USB Type-C 线缆的两端都有 USB Type-C 插头，插头都可以插入供电或受电设备的插座（左右反向插入）。USB Type-C 中的线缆类型被定义为传统的无源线缆、解决信号衰减的有源线缆、使用光纤传输数据的光缆和混合线缆。如图3所示，可以在USB Type-C插头内安装一个称为e-Marker的半导体识别组件，以显示该线缆的功能。系统可以通过与该半导体元件通信来识别线缆类型。

图 2：USB Type-C 线缆的引脚分配

带 e-Marker 的USB Type-C 线缆
Ra 范围 800-1200 ohm
标准USB Type-C 线缆
图3：USB Type-C 线缆的等效电路

图4 总结了使用标准 USB Type-C 线缆将左侧的设备 A 和右侧的设备 B 进行物理连接时发生的情况。在四种情况下，每个设备的 CC 都通过标准 USB Type-C 线缆进行物理连接。因此，要了解设备 A 和设备 B 如何相互连接，需要一个不同于传统 USB 方法的连接序列。

图4： 使用 USB Type-C 线缆进行物理连接

传统的USB-A插头只能连接到主机端口或USB AC适配器端口（称为 DFP），而USB-B插头只能连接到设备端口（称为 UFP），这时主机和设备角色在连接时自动确定。另一方面，USB Type-C不仅是上述四种物理连接，而且在物理上也可以将PC连接到PC，外围设备连接到外围设备，以及AC适配器到AC适配器。因此，需要一个额外的过程来确定每个端口的角色。

这是通过观察CC1和CC2线上的电压水平来实现的。供电端指定为上拉CC，受电端指定为下拉CC，如图5所示。如图6所示，当使用USB Type-C 线缆连接供电端和受电端时，CC上形成了（vRd）的电压范围，则能判断为连接状态。通过监测供电端和受电端的CC电压，您可以检测连接并确定USB Type-C线缆如何连接到插座。

USB Type-C 供电端
供电端要求 CC1 和 CC2 以 56k、22k 或 10k 上拉。此电阻值表示 Type-C 上的电源功率（默认，[email protected]，5V@3A）
USB Type-C 受电端
受电端 需要将 CC1 和 CC2 以5.1k下拉。
图5： 基于 USB Type-C 供电端和受电端的等效电路

VBUS vRd (V)
Default 0.25-1.5
[email protected] 0.45-1.5
5V@3A 0.85-2.45

图6： 连接检测

如果USB Type-C 线缆上没有e-Marker，则没有Ra。如果确认Ra存在，则可以识别出需要专用电源VCONN与e-Marker通信。届时，支持超过3A电流或EPR的电源，或支持USB4或交替模式的DFP，必须从CC引脚中移除Rp并提供VCONN电源。

另一方面，如果如图7所示，两个供电端相互连接，则CC引脚的电压将超出识别为连接的电压范围。在这种状态下，从安全角度考虑，两个供电源不能同时为VBUS供电，因此需要VBUS保持在 0V，直到检测到连接。此状态称为 - 冷插座 “Cold Socket”。

图7： 两个供电设备之间的连接

此外，即使如图8所示，两个受电端相互连接，CC引脚的电压电平也会超出应被视为连接的电压范围。

图 8： 两个受电设备之间的连接

接下来，我们将总结USB Type-C的其他连接过程。

1. 供电-至-受电 连接/分离检测
2. 插头方向/线缆扭曲检测
3. 初始电源方向（Source-to-Sink）检测和建立数据通信（Host-to-Device）。到止，VBUS= 0V：冷插座 以及 VCONN= 0V。
4. 检测线缆是否需要 VCONN并供应 VCONN
   尽管 VBUS可以提供 5V，但受电端不会耗电。如果线缆确实需要 VCONN，VCONN供电必须为线缆提供 3-5V（5V 用于 ThunderBolt3 Active 线缆兼容性）。
5. USB Type-C VBUS电流检测
   当 CC 电压 = vRd（识别电压范围）和 VBUS= 5V 时，sink 检测为连接。 不支持 USB PD 的 USB Type-C 上的电源功率定义为“默认”、[email protected]和[email protected]，而 sink可以从监测 CC 电压电平识别出供电提供的功率。因此，在运行过程中将消耗最大此提供的功率。“默认”对于 USB2.0 为 5V@500mA，对于 USB3.1 的单通道为 5V@900mA。

在这些过程之后，通过使用 USB PD 通信（如 Discovery 和 Configuration），数据通道以及电源供应已被配置。

在 USB 端口上定义的角色

接下来，我们将解释 USB 端口上定义的角色，包括传统的 USB-A 和 USB-B 连接器。如表1 所示，USB端口定义了两个角色：数据和电源。

定义了三个数据角色：DFP 和 UFP，双角色数据 （DRD），它允许在DFP和UFP之间切换。 DRD 相当于OTG（USB On The Go）。同样，定义了三个电源角色：仅供电Source-Only、仅受电Sink-Only 和 双电源角色Dual Role Power （DRP），它们可以在供电和受电之间切换。

DRP在供电模式（CC 线上的上拉电阻）和受电模式（CC 线上的下拉电阻）之间切换，并自动向对面设备指示支持的角色，直到连接。在这种情况下，最初无法确定产品是供电或是受电设备。因此，当连接时，存在称为Try.SRC和Try.SNK的DRP，用于在电源角色（供电或受电）之前。供电（默认）DRP在连接时成为供电端，连接后，它将能够将角色更改为受电端。受电（默认）DRP与供电（默认）DRP具有相同的功能。

表 1：在 USB 中定义角色类别 角色名称 描述
数据・角色 DFP 端口具有 USB-A 连接器的作用
UFP 端口具有 USB-B 连接器的作用
DRD 可用作 DFP/UFP 的端口
电源・角色 供电 （Source） 电源供电端口
受电 （Sink） 电力消费端口
DRP 可用作 供电/受电的端口。切换 （供电/受电）
Try.SRC （DRP） 连接时尝试尽可能成为Source-DFP 的DRP
Try.SNK （DRP） 连接时尝试尽可能成为Sink-UFP 的DRP
Source （默认） 连接时无需切换即可成为源，但可以进行电源角色转换
Sink （默认） 连接时无需切换即可成为受电，但可以进行电源角色转换

由于 USB 在单个连接器上实现数据通信和电力传输，因此有必要在数据和电源方面定义USB连接器的作用。 如表2所示，数据角色和电源角色的组合被定义为强制性要求，即供电端为DFP，受电端为UFP，以保持与USB-A和USB-B连接器的兼容性。USB数据通信被定义为一个选项，因为USB AC适配器不一定需要数据通信。

表 2：数据角色和增强角色的组合USB Type-C 端口上的角色 数据角色设置 UFP 功能 DFP 功能
DFP UFP USB 设备 USB 主机
电源角色设置 供电 强制 选择 选择 选择
受电 选择 强制 选择 选择
DRP 强制 强制 选择 选择

USB 产品有哪些类型，它们扮演什么角色？

接下来，我们来看看每个角色组合在什么样的产品中使用。供电/DFP 角色是PC中USB-A连接器的角色，它提供电源。因此，具有源/DFP角色的典型USB Type-C 设备是AC 适配器。另一方面，受电/UFP角色是外围设备中USB-B连接器的角色，它使用USB提供的电源。具有受电/UFP 角色的USB Type-C设备是外围设备，例如耳机，它们需要USB的电源来运行。许多 USB Type-C设备（如PC和智能手机）具有DRP/DRD角色。我们可以看到，智能手机、PC 扩展坞和USB集线器使用Try.SNK（DRP）/DRD角色，而笔记本电脑、移动电源甚至台式PC都使用Try.SRC（DRD）/DRD 角色。

笔记本电脑连接到扩展坞，电源从扩展坞反转到PC，同时保持从PC到扩展坞的数据通信方向，这在表2中定义为选项。在这种情况下，坞站成为供电UFP（称为供电设备），而笔记本电脑成为称为下沉主机的受电DFP。这些角色的组合不能仅使用正常的连接序列来实现，而是使用角色转换Role Swap来实现，这将在后面介绍。

以下部分介绍了什么角色将决定何时连接DRP设备。如图9所示，当移动电源连接AC适配器时，由于AC适配器具有供电/DFP角色，因此Try.SRC（DRP）/DRD移动电源不能成为供电端，而是被确定为受电/UFP角色。此外，当同一个移动电源连接到Try.SNK（DRP）/DRD智能手机时，移动电源将成为供电/DFP，而智能手机将成为受电/UFP。

图 9： 连接后每个设备的角色状态示例

关于角色交换(Role Swap)

本说明的最后一部分是“角色交换”。“角色交换”是指交换USB端口的角色。USB Type-C 上的信号有三类发挥作用：数据线、VBUS/GND 线和线缆上e-Marker的电源VCONN。可以交换相反设备和自身的这三个角色。如前所述，除了快速角色交换（FRS）之外，规范还定义了以下三种角色交换：数据角色交换、电源角色交换和 VCONN角色交换。

USB 端口根据数据角色和电源角色进行角色定义。数据角色交换仅将自己的数据角色（DFP 或 UFP）与其对面设备（UFP 到 DFP）交换。数据角色交换不会改变 VBUS/GND 线路和 VCONN供电给e-Marker线路。同样，电源角色交换只允许将自己的电源角色（供电或受电）与连接的设备（受电或供电）交换。同样，电源角色交换确保数据线和VCONN线的状态不会改变。

当DRD/DRP设备相互连接时，最初无法确定产品是供电端还是受电端。因此，当笔记本电脑连接到扩展坞（如图10所示）时，通过使用数据角色交换或电源角色交换，从PC的电源反向到扩展坞的PC，同时保持来自PC的数据通信方向。

图 10：电源角色交换和数据角色交换

VCONN角色交换用于切换向线缆供电的设备。只有为线缆提供VCONN的设备才允许与e-Marker通信。例如，当以交替模式或USB4通信时，当DFP端口不提供VCONN给线缆，而DFP端口需要与e-Marker 通信时，DFP端口应在访问 e-Marker 之前使用VCONN角色交换向线缆提供VCONN。

角色交换通过USB PD通信执行。

在下一节程中，我们将探讨USB PD中的安全技术。

单元列表

1. USB 供电 （1） 提高 USB 充电的便利性
2. USB 供电 （2） 技术 1 - 便利性和安全性
3. USB 供电 （3） 技术 2 - USB Type-C 和角色交换
4. USB 供电 （4） USB PD 安全实施
5. USB 供电 （5） 使用瑞萨解决方案加快开发速度