USB Type-C 和 USB供电数据和电源角色

USB Type-C 和 USB供电数据和电源角色

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/USALCD/article/details/139547275

USB Type-C连接器生态系统随着现代平台和设备需求的变化而不断发展。USB Type-C连接器生态系统可满足现代平台和设备不断变化的需求，并且符合更小、更薄且更轻便的外形设计趋势。此外，针对Type-C连接器修改USB PD有助于满足高耗电应用的需求。

USB数据传输规范演变

表1列出了每个USB数据传输相关规范的最大传输速率。USB 1.x标准是最早版本，支持1.5Mbps（低速）和12Mbps（全速），后来发展的USB 3.1第2代标准支持10Gbps（超高速+）。

表1. USB规范以及最大电压、电流和功率。

USB功率传输规范演变

表2显示了USB功率从USB 2.0开始一直到USB PD 3.0的演变过程。总体趋势是随着平台和设备的需求不断增长，最大功率不断增加。在不使用USB PD的情况下，仅通过USB Type-C最高可以支持5V电压（电流为3A，功率为15W）。不过，在使用USB PD时，在USB Type-C生态系统中最高可以支持20V电压（电流为5A，功率为100W）。

表2. USB规范以及最大电压、电流和功率。

数据和电源角色

USB连接中有三种类型的数据流：

• 下行端口(DFP)：向下游发送数据；它通常是设备所连接的主机或集线器上的端口。DFP将为VBUS供电（主机与设备之间的电源路径），还可以为VCONN供电（为电子标记的电缆供电）。包含DFP的典型应用是集线站。

• 上行端口(UFP)：连接到主机或集线器的DFP，接收设备或集线器上的数据。这类端口通常从VBUS中取电。包含UFP的典型应用是显示监视器。

• 双角色数据(DRD)端口：可以用作DFP（主机）或UFP（设备）。此类端口在连接时的电源角色决定了其初始角色。源端口承担DFP的数据角色，而接收端口承担UFP的数据角色。不过，通过使用USB PD数据角色交换功能，可以动态地更改此类端口的数据角色。包含DRD端口的典型应用是笔记本电脑、平板电脑和智能手机。

USB连接中有三种类型的功率流：

• 接收端口：是在连接时消耗VBUS功率的端口，接收端口设备通常是用电类设备。接收端口应用包括USB供电灯或风扇等USB外设。

• 源端口：是在连接时通过VBUS供电的端口。常见的源端口是主机或集线器DFP。典型的源端口应用是USB Type-C壁式充电器。

• 双角色电源(DRP)端口：可以用作接收端口或源端口，并且可以在这两种状态之间进行切换。当DRP最初用作源端口时，该端口承担DFP的数据角色。或者，当DRP最初用作接收端口时，该端口承担UFP的数据角色。不过，通过使用USB PD电源角色交换功能，可以动态地更改DRP端口的电源角色。例如，一台笔记本电脑可能包含一个DRP端口，该端口可以接收功率，为笔记本电脑的电池充电；也可以提供功率，为外部附件充电。此外，DRP端口有两个特殊的子类型：

• 源设备：该类型的端口能够提供功率，但无法用作DFP。该子类型的一个示例是兼容USB Type-C和USB PD的监视器，它能够接收来自笔记本电脑DFP的数据，但无法为笔记本电脑充电。

• 接收主机：该类型的端口能够消耗功率，但无法用作UFP。示例包括集线器的DFP，它能够向附件发送数据，同时能为该附件供电。

下面的图1重点介绍了常见的终端设备及其典型的数据和电源角色（就USB Type-C规范而言）。

图1. USB Type-C版本1.2示例应用。

USB Type-C UFP接收端口：不带USB PD的USB2.0

较为简单和常见的应用是不带USB PD的UFP USB 2.0(≤15W)。常见的应用包括当今任何不需要超快速传输数据且由USB供电的设备，例如鼠标、键盘、可穿戴设备或其他小型电子设备。图2重点展示了USB Type-C UFP USB 2.0所需的功能模块。

图2. 不带PD的Type-C UFP USB 2.0方框图。

在这里，我们假设您了解USB Type-C连接器的引脚排列以及可逆性的工作原理；如果您不了解相关知识，请参阅图13。

请注意，USB 2.0物理层(PHY)与以前具有Type-A或Type-B连接器的USB 2.0设计是相同的。它充当从USB D+和D-线到USB 2.0收发器宏单元接口(UTMI)加低引脚接口(ULPI)的数据的物理层，便于应用处理器进行管理。

USB 2.0 PHY通常集成在处理器或微控制器中；不过，也有分立式PHY，用于在设计中集成USB功能。USB Type-C规范中引入的配置通道(CC)逻辑块提供电缆检测、电缆方向和载流能力。

• 当两条CC线之一下拉时，发生电缆检测（请参阅图3）。DFP会通过电阻器Rp将其两个CC引脚上拉，而UFP会通过电阻器Rd将其两个CC引脚下拉[1]。DFP检测到其CC线之一被下拉后，DFP就知道已连接已建立。

图3. CC逻辑上拉和下拉终端。（来源：USB Type-C规范版本1.2，图4和图5上拉/下拉CC模型）

• 电缆方向取决于下拉的CC线（如果CC1下拉，则电缆不翻转；但如果CC2下拉，电缆会翻转）。对于无源电缆，另一条CC线保持打开状态；对于有源电缆，另一条CC线将通过Ra下拉。

• Rp的值决定载流能力。USB Type-C本身支持1.5A或3A的电流。DFP可以通过一个具有特定值的上拉电阻器来广播其载流能力。UFP包含一个具有固定值的下拉电阻器(Rd)，能够在连接时与Rp一起形成一个分压器。通过感应分压器中心抽头处的电压，UFP可以检测到DFP的广播电流。

最后一个模块是USB 2.0多路复用器（通常称为高速多路复用器）。图2中的虚线轮廓表示USB Type-C规范不需要的可选模块。要了解多路复用器的用途，就必须了解电缆翻转如何影响数据流。在USB Type-C插座中，单个USB 2.0数据通道有两对D+/D-线。在一个方向上，数据沿着一对D+/D-线流动。在相反的方向上，数据沿着另一对D+/D-线流动。USB Type-C规范允许将这两对D+/D-线短接在一起（D+接D+，D-接D-），以产生一个线头。尽管这不是必需的，但有些设计人员会选择在其系统中包含一个USB 2.0多路复用器，以提高信号完整性。

USB Type-C DFP：不带USB PD的USB 2.0

另一种简单且常见的应用是不带USB PD的DFP USB 2.0，如图4所示。一个示例是5V交流/直流适配器。

图4展示了不带USB PD的USB Type-C DFP USB 2.0所必需的模块。请注意该图与图2的相似之处，其中增加了一些额外的模块，但CC逻辑块仍然是相同的。对于DFP，设备提供Rp并监测由Rd引起的下拉。Rp检测到下拉后，DFP知道设备已连接并提供5V电压。与始终提供5V电压不同，USB Type-C中采用了一项新功能，即仅在检测到设备之后才在VBUS线上提供5V电压（冷插拔）。

USB 2.0 ULPI PHY与前一节中的相关内容相同。对于不传输数据的应用（例如5V壁式适配器），您可以在设计中省略USB 2.0 ULPI PHY。由于USB Type-C实现了冷插拔，因此图4中添加了一个5V VBUS场效应晶体管(FET)。因此，设计中需要采用一个用于5V电压轨的开关。

图4. 不带USB PD的USB Type-C DFP USB 2.0方框图。

此外，USB Type-C规范要求所有源端口监测电流并在接收端口试图消耗超出源端口提供能力的电流时保护自身[1]。此时过电流保护模块就发挥了作用。这两个模块可以集成到负载点电源转换器中，也可以集成到USB Type-C设备中。

图4还包含VBUS放电模块。在未连接任何设备时，VBUS应该保持0V。USB Type-C规范要求源端口在接收端口断开后的650ms内对VBUS进行放电[1]。VBUS放电功能通常集成在USB Type-C设备中，但也可以集成在泄放电阻器中。

通过将5V电压切换到未使用的CC线上，VCONN可以为无源电子标记电缆或有源电缆（支持USB PD通信并提供电缆特性表征方法的电缆）供电（请参阅附录）。图3显示USB Type-C电缆中的一条CC线将Rp连接到Rd，而另一条CC线悬空（无源电缆）或通过Ra下拉至接地（无源电子标记电缆或有源电缆）。

所有支持USB 3.1速度或高于3A的电力传输的应用都需要VCONN[1]。如果要支持有源电缆（例如需要通过集成转接驱动器或重定时器进行信号调节的长距离电缆），那么也需要VCONN开关。

不带USB PD的USB Type-C DRP/DRD USB 2.0

下面介绍的不带USB PD的USB 2.0应用是DRP/DRD。对于不带USB PD的应用，DRD和DRP是相同的。一个常见的示例是速度较慢的笔记本电脑端口，此类端口可以双向发送功率，进行充电或被充电，并充当主机或设备。该系统类型的另一个常见应用是平板电脑和智能手机。图5是更新后的方框图。

相对于图4而言，唯一值得注意的变化是添加了Rp/Rd开关。DRP/DRD可以充当UFP或DFP。因此，该设计必须具有一种方法，用于通过Rp将CC线上拉或通过Rd将CC线下拉（无电电池上的默认方式，用于充电），如图6所示。请注意开关是如何在将CC线上拉（此时应提供电流源以在Rd上生成特定的电压）和将其下拉至GND之间切换的。

图5. 不带USB PD的USB Type-C DRP/DRD USB 2.0方框图。请注意，VCONN开关并不总是必需的。

图6. Rp/Rd开关原理图。

USB Type-C DRP/DRD：带USB PD的USB 2.0

复杂度越来越高的应用需要采用USB PD。如简介中所述，具有USB PD功能的系统可以支持高达20V、5A(100W)的功率水平。通过首先增大VBUS上的电压，同时将最大电流保持在3A，可以实现这一点。在达到20V的最大电压之后，您可以最大将电流增加至5A，如图7所示。

Source power rating (W)图7. USB PD配置（电源轨和最大电流）。 （来源：USB PD规范版本3.0中的图10-2）

在图7可以看到：

• 所需的离散电压电平为5V、9V、15V和20V（USB PD规范v3.0对此进行了修改）。

• 电流可能会连续变化，具体取决于所需的功率水平（电流最大为3A）。

• 在给定的任何功率水平下，都需要一个源端口来支持以前的所有电压和功率水平。

例如，60W的源端口必须能够支持电压20V（电流为3A）、15V（电流为3A）、9V（电流为3A）和5V（电流为3A）。这是3.0版USB PD规范中的更新结果，用于确保功率较高的电源能够支持功率较低的设备。笔记本电脑和手机的充电器是一个示例。

图8. 带USB PD的USB Type-C DRP/DRD USB 2.0方框图。请注意，VCONN开关并不总是必需的。

图8突出显示了在USB PD应用中发挥作用的四个新模块。

先前介绍的VBUS FET现在可以处理5V至20V电压（离散电平，具体取决于所需的功率水平），并且电流可能高达5A（同样仅在提供20V电压时）。图8还显示了为功率更高的FET添加的栅极驱动器模块。某些器件集成了大功率FET和栅极驱动器，以驱动功率更高的外部FET（例如TI的USB PD控制器），而其他器件仅集成了栅极驱动器或两者都未集成。

到目前为止，我们还未讨论方框图中的静电放电保护，因为它与非USB Type-C系统有一点不同（除通道数更多外），即是否具有VBUS短路保护功能。与传统的USB连接器相比，USB Type-C连接器具有更高的引脚密度。因此，VBUS更容易与相邻的引脚发生短路（请参阅附录）。由于VBUS的电压可能高达20V，因此20V和5V线之间可能发生短路（如边带使用[SBU]、CC等等）。为了防止发生这种潜在的灾难性事件，TI推出了USB Type-C保护集成电路系列。

其他两个新模块是USB PD PHY和USB PD管理器。这些模块一起通过CC线发送数据包，从而实现DFP和UFP之间的通信。通过这种通信，源端口可以广播其可以支持的功率水平，然后接收端口可以请求某个支持的功率水平。设置功率水平后，电压和电流水平会得到相应的调节。

区分USB PD管理器和USB PD PHY之间的角色差异很重要；多个USB Type-C器件可能包含其中的一个功能，但不包含另一个功能。例如，通用微控制器可以用作USB PD管理器，但没有USB PD PHY。USB PD PHY的作用是驱动CC线，但其本身没有智能。

USB PD管理器是大脑，其中包含一个复杂的状态机，以支持USB PD协商并控制PHY。（USB PD管理器还执行交替模式协商。）USB PD管理器通过告诉PHY发送哪些数据包（例如广播功率水平、请求功率水平和确认通道功率水平）来实现该功能。

重点在于，如果需要USB PD，则需要使用USB PD PHY和USB PD管理器。您可以通过使用集成解决方案（同一器件中具有USB PD管理器和USB PD PHY）来实现USB PD PHY和USB PD管理器，也可以在微控制器上实现USB PD管理器并使用单独的PHY（具有USB Type-C端口控制器）。