USB Type-C的工作原理与技术分析

USB Type-C的工作原理与技术分析

USB Type-C接口凭借其小巧的体积和强大的功能，已经成为当前主流的电子设备接口标准。从USB3.1开始，USB Type-C的功能开始变得更加丰富，不仅支持高速数据传输，还具备正反插、双向传输、向下兼容等特性。本文将深入解析USB Type-C的技术原理，帮助读者更好地理解这一重要技术标准。

USB 3.1基本规格

带有SS字样的代表支持PD（Power Delivery），带有SS和10的USB标志代表支持USB3.1及PD2.0。

历代USB输出功率及标志比较

本图来源于：https://www.datapro.net/techinfo/what_is_usb_type_c_usb_c.html

1. 功能齐全：同时支持数据、音频、视频传输，还支持充电功能，全集中在一条传输线，可解决传输线太多的问题。
2. 支持正反插：Type-C的脚位是镜像设计，可以支持正反插，硬件上有特别的侦测机制可以判断是正插还是反插，这部分在后面会提到。（半夜手机要充电不用再开灯看接头方向了！）
3. 双向传输：数据、电力可以双向传输与充电。
4. 向下兼容：可透过转接器（dongle），兼容USB Type-A、Micro-B等接口。
5. 传输速率快：支持USB 3.1，可支持高达10Gbps的数据传输。

USB Type-C脚位功能概述

脚位说明：

1. Tx / Rx：两组差分信号传输对，用于数据传输。
2. CC1 / CC2（Configuration Channel）：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。
3. Vbus：供电用（power supply），CC pin接上，Vbus才供电
4. D+ / D-：向下支持USB2.0用。
5. SBU1 / SBU2：传输辅助信号用，DP Alt mode可利用此脚位传送AUX数据。
6. GND：接地，电源和接地有4个，所以可以支持到100W。

CC工作原理及模型

USB CC脚位工作模型

1. DFP（Downstream Facing Port）为Host端，另一边的UFP（Upstream Facing Port）则为device端。在DFP的CC pin会有上拉电阻Rp，在UFP则会有下拉电阻Rd。（Rp决定host端提供给device端的供电能力）
2. 在DFP与UFP未连接时，DFP的VBUS是没有输出的。当DFP与UFP连接后，CC pin相接，DFP的CC pin侦测到UFP pulldown Rd，表示接到Device，DFP便打开VBUS的FET开关，输出VBUS电源给UFP，也就是说在尚未侦测到CC PIN的设定之前，VBUS是不会供应任何电源给UFP端的。
3. 从上图可以明显得知，除了Ra之外，其余电阻都不该出现在cable之中，Ra数值如下图表格所述是一个区间值，一般使用1k ohm，如作为电源供应器的线材则可能会略低于800 ohm：
4. Rp的数值是有被规范的，目前常见的56k ohm被规范为default USB power，一般用于兼容于传统USB构架，故常出现USB2.0/USB3.0的type A/B to type C的线材在type C端加入该电阻。其余电阻值请看下图表格：
5. Rd在规范中仅有5.1k ohm，不会在cable中使用。
6. 有Ra的cable，内部一定都有e-mark IC，所以都会支持PD协议。没有Ra的cable一定就是passive cable，内部是没有IC的，当然一定不支持PD协议。
7. CC pin的侦测可分为以下数种结果：
8. 正反插侦测：由于Type-C是支持正反插，CC pin被用来侦测正反插，从DFP的角度来看，当CC1接到Pulldown（Rd）就是正插，如果是CC2接到Pulldown就是反插。在侦测完正反插后，就会输出相对应的USB信号，例如CC1对应的是SSTX1与SSRX1。下图的右边整合了MUX，由于USB 3.1的data rate高达10 Gbps，为了避免PCB的走线出现分支，所以正反插进来的信号会由MUX来切换，正插时，切换到SSRX1&SSTX1，反插时，切换到SSRX2&SSTX2。

Data传输路径示意图（蓝线为正插，红线为反插）