USB-C可選模式應用

　　USB-C簡(jiǎn)介

　　USB-C即USB Type-C型接口，是USB協(xié)會(huì )最新推出的接口，相比傳統USB接口，USB-C具有結構纖細、支持正反插、高電力傳輸、支持可選模式(DisplayPort/Thunderbolt等)輸出的突出優(yōu)質(zhì)特性，其尺寸比較如圖1所示。

　　圖1 高集成度的USB-C接口

　　USB-C的高集成度特性使得用戶(hù)可以在同一條線(xiàn)纜上傳輸數據、視頻、電力，精簡(jiǎn)了設備使用的復雜度，使電子設備更加美觀(guān)精致，因此在消費類(lèi)電子市場(chǎng)中備受大家關(guān)注。

　　USB-PD協(xié)議是在USB-C接口上運行的通信協(xié)議，與傳統USB協(xié)議不同，USB-PD協(xié)議通常不用于數據傳輸，只是進(jìn)行USB-C接口的屬性設置。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，USB-C是接口，USB-PD則用于建立包括供電能力，可選模式等的具體數據和供電屬性。

　　什么是USB-C的可選模式

　　可選模式是USB-C除了傳統的USB數據傳輸以外額外支持的模式——比如圖像數據(DisplayPort)或者是雷電(Thunderbolt)等。USB協(xié)會(huì )為每一個(gè)標準的可選模式頒發(fā)一個(gè)唯一的16bit的USB標準編碼(SID)，用于主從設備之間可選模式支持與否的溝通。

　　以DisplayPort以例進(jìn)行說(shuō)明，DisplayPort(簡(jiǎn)稱(chēng)DP)是視頻電子標準協(xié)會(huì )(VESA)推出的數字式視頻接口標準，獲得了第一個(gè)可選模式的標準編碼(0xFF01)。

　　USB數據和DP可選模式的數據是可以同時(shí)傳輸的，兩種不同的數據將USB-C的四對高速差分信號線(xiàn)分割成兩組，分別傳輸不同數據，互不干擾。USBC還為可選模式提供了兩條作為補充的信號線(xiàn)Sideband Use (SBU)，它們的作用是傳輸低速的數據或者配置信息，在DP模式中就被用于傳遞輔助通道(AUX)信號。(例如DP中的EDID等顯示器信息)

　　如何進(jìn)入USB-C的可選模式

　　在USB-C中提出了一個(gè)新的USB類(lèi)——Billboard (USB2.0 設備)，它的作用是當設備進(jìn)入可選模式失敗或者發(fā)生未知錯誤的時(shí)候枚舉出來(lái)，主機由此獲取可選模式的狀態(tài)。如果在支持可選模式的外設中沒(méi)有集成Billboard，造成的最大影響就是主機無(wú)法有效知悉設備的運行狀態(tài)。因此，如果客戶(hù)產(chǎn)品需要支持可選模式，那么必須在外設端增加Billboard設備。

　　進(jìn)入USB-C可選模式的必要條件：

　　1. 主機支持USB Type-C，USB-PD(Power Delivery)協(xié)議。

　　2. 主機支持某些可選模式。

　　3. 外設支持USB-PD協(xié)議。

　　4. 外設支持相對應的可選模式。

　　外設與主機連接初始狀態(tài)為USB模式，之后會(huì )出現幾種不同情況，下文將進(jìn)行逐步分析：

　　1. 假如主機不支持USB-PD協(xié)議，在一定等待時(shí)間后，外設將枚舉Billboard設備通知電腦進(jìn)入可選模式失敗，如圖2所示。

　　2. 電腦支持USB-PD協(xié)議，卻不支持外設所選擇的可選模式，外設將枚舉Billboard設備通知電腦進(jìn)入可選模式失敗，如圖2。需要注意，目前Windows10系統支持Billboard設備類(lèi)，Windows8系統需要安裝相應的補丁才能支持。

　　圖2進(jìn)入可選模式失敗

　　3. 電腦既支持USB-PD協(xié)議，也支持外設的可選模式時(shí)，會(huì )按照以下流程進(jìn)入可選模式[1]:

　　a) 電腦發(fā)送“發(fā)現實(shí)體”(Discover Identity)的命令。

　　外設響應該命令并聲明是一個(gè)支持可選模式的適配器Alternate Mode Adapter (AMA)。

　　b) 電腦發(fā)送“發(fā)現標準廠(chǎng)商編碼”(Discover SVIDs)的命令，用于獲取外設所支持的所有可選模式。

　　外設響應該命令并報告所支持的可選模式類(lèi)型(如DP模式為0xFF01)。

　　c) 電腦發(fā)送“發(fā)現支持的子模式”(Discover Modes)命令用于獲取外設在某一標準廠(chǎng)商編碼下所支持的子模式。

　　外設響應該命令并報告所支持的所有子模式。

　　d) 電腦根據外設的設置及電腦的限制選擇進(jìn)入相應的模式(Enter Mode)。

　　外設收到該命令后回應ACK，退出USB模式，并進(jìn)入相應可選模式。

　　電腦收到該響應后，退出USB模式，并進(jìn)入相應可選模式。

　　這一流程可以用圖3概括。

　　圖3 USB-C電腦/設備進(jìn)入可選模式流程

　　根據USB-C的特性，可以做成形態(tài)各異的支持可選模式的擴展設備，如圖4

　　圖4 USBC接口擴展器

　　賽普拉斯高集成度的USB-C PD控制器方案

　　賽普拉斯(Cypress Semiconductor Corp.)從2014年推出世界首款可編程的USB-PD控制器以來(lái)到現在已經(jīng)迭代四代產(chǎn)品，其中具有代表性的高集成度產(chǎn)品是EZ-PD CCG3系列USB-PD控制器。

　　圖5 CCG3功能框圖

　　CCG3集成了一個(gè)Contex-M0 內核， 一個(gè)USB-PD控制器，一個(gè)Billboard，以及豐富的模擬/數字資源。集成了硬件加密內核，可以完整支持PD3.0功能。CCG3使用內部USB Full-Speed內核實(shí)現Billboard功能，兼具USB在線(xiàn)升級固件功能，方便產(chǎn)品的更新[2]。

　　CCG3的供電電壓范圍為2.7~21.5V，可以直接使用USB-C中的VBUS電壓。

　　CCG3集成的開(kāi)關(guān)可以用于控制SBU信號與DP的AUX信號的通斷，這極大簡(jiǎn)化了USB-C轉DP適配器的設計。

　　以DP模式設計為例，根據CCG3的特性，USB-C轉DP可選模式適配器的邏輯框圖如下[3],[4]：

　　圖6 USB-C轉DP的CCG3方案框圖

　　采用CCG3的DP轉換適配器外圍電路極其簡(jiǎn)化，該單芯片方案僅需要有限的電阻電容即可正常工作。

　　總結

　　USB-C在繼承傳統USB接口優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)增加了可選模式，使這種接口技術(shù)更加開(kāi)放包容，可以預見(jiàn)，海納百川的USB-C技術(shù)在未來(lái)幾年將成為市場(chǎng)主流，逐步取代傳統的USB接口或者DP接口。對當前市場(chǎng)，USB-C可選模式轉換的適配器一定會(huì )作為過(guò)渡產(chǎn)品受到廣大外設廠(chǎng)商的追捧，同時(shí)個(gè)性化的產(chǎn)品形態(tài)是各家高瞻遠矚的公司的首要選擇，采用如CCG3類(lèi)似的可編程的高集成度USB-C PD控制器為設計平臺將為公司占領(lǐng)市場(chǎng)提供無(wú)限的可能性。

　　引用：

　　1. Universal Serial Bus Power Delivery Specification Revision 3.0, V1.0. 11 December 2015

　　2. EZ-PD™ CCG3 USB Type-C Port Controller Datasheet

　　(http://www.cypress.com/documentation/datasheets/ez-pd-ccg3-datasheet-usb-type-c-controller-power-delivery)

　　3. CCGX Frequently Asked Questions (FAQs) - KBA97244

　　(http://www.cypress.com/knowledge-base-article/ccgx-frequently-asked-questions-faqs-kba97244?source=search&keywords=KBA97244)

　　4. www.cypress.com/type-C