USB Type-C設計考量千頭萬(wàn)緒 　參考設計搞定大小麻煩事

　　最新推出的USB Type-C速度更快、電力傳輸效能更佳，更可支援多種影音傳輸協(xié)定。不過(guò)，由于功能與用途更為復雜，應用開(kāi)發(fā)者在整合USB Type-C介面時(shí)，也得把更多細節考慮進(jìn)去。善加利用參考設計，將可有效解決應用開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的疑難雜癥。

　　大多數常用的電子設備，都配有某種類(lèi)型的通用序列匯流排(USB)連接埠。此類(lèi)連接埠包括Micro、Mini、Type-A，且皆可采用不同的標準，例如2.0或是更新的3.1。相較于這些連接埠，USB Type-C的功能可說(shuō)有了大幅的躍進(jìn)，而且速度更快、電力傳輸效能更佳。利用此更為先進(jìn)的接頭，可解決其前代產(chǎn)品出現的所有問(wèn)題。Type-C可處理高速資料、視訊以及大量電力。藉由Type-C的這些擴充功能，消費者只須使用Type-C連接線(xiàn)即可實(shí)現充電、串流視訊或傳輸資料，不必再大費周章地使用各種連接線(xiàn)。制造商基本上只須在其裝置中提供與開(kāi)發(fā)Type-C連接埠即可支援不同用途。

　　支援多通訊協(xié)定　Type-C提高裝置可用性

　　Type-C的多功能性使得設計變得十分復雜，因為在使用連接線(xiàn)、連接埠、Dongles和集線(xiàn)器時(shí)，USB極為簡(jiǎn)單的內部運作現已為較復雜的嵌入式元件所取代?？此坪?jiǎn)單的HDMI轉Type-C連接線(xiàn)在設計上卻不容易，原因就在于需要嵌入式裝置。在開(kāi)發(fā)Type-C解決方案時(shí)出現兩個(gè)主要難題，第一是處理連接埠能夠提供的大范圍電力。第二是避免因支援的通訊標準增加而可能發(fā)生的通訊失敗問(wèn)題。當連接兩個(gè)裝置時(shí)，電力傳輸(Power Delivery, PD)協(xié)定即開(kāi)始執行。

　　該程序須要針對傳輸的電量、電源供應器與電力消耗裝置進(jìn)行協(xié)商。由于此通訊需要偵測、讀取與處理類(lèi)比和數位訊號，因此需要透過(guò)主機連接埠、連接線(xiàn)或Dongles中的嵌入式MCU取得MCU功能。當裝置或主機彼此無(wú)法支援且無(wú)法建立通訊時(shí)，就會(huì )發(fā)生故障。偵測到訊號后會(huì )將訊號傳輸至主機，并且需要進(jìn)一步的MCU功能。

　　USB Type-C不但能夠減少使用的連接線(xiàn)，還可確保裝置之間順利協(xié)作，為使用者和消費者的生活帶來(lái)相當大的便利性，但卻也會(huì )為設計者和開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)麻煩。目前，市面上已有很多類(lèi)型的USB連接埠和連接線(xiàn)，包括Mini、Micro、Type-A、Type-B等。繁多的種類(lèi)很容易造成混淆，例如行動(dòng)電話(huà)的連接埠與筆記型電腦的連接埠不同，而筆記型電腦的連接埠又和數位相機的連接埠不同。USB Type-C 將大部分的連接縮減成單一標準(圖1)，可涵蓋所有裝置并提高可用性。USB Type-C可支援多個(gè)通訊協(xié)定，并且可向后相容于USB 2.0。監視器、耳機、充電器以及鍵盤(pán)等幾乎所有配件都能使用USB Type-C與電腦、平板電腦和智慧型手機等裝置進(jìn)行通訊。

　　圖1　USB Type-C插座連接埠使其他連接符合單一標準。

　　連接埠與連接線(xiàn)的配置如圖2、圖3所示。由于插座連接埠中的訊號采用對稱(chēng)設計，因此翻轉插頭并不會(huì )造成任何問(wèn)題。USB 3.1 SuperSpeed TX/RX、VBUS、GND以及所有其他引腳會(huì )正確連接，不必考慮方向性。從使用者角度來(lái)看，因為T(mén)ype-C連接線(xiàn)可以任一方向插入，因此是Type-A連接埠的升級版。

　　圖2　USB Type-C插座連接埠

　　圖3　USB Type-C插頭引出線(xiàn)

　　USB Type-C具有多功能且方便易用，但卻增加了采用USB Type-C的裝置的內部復雜性。雖然增加功率容量，可提供高達100W的電力，為高電流裝置充電，但也為不需要如此高功率的裝置造成問(wèn)題。電力傳輸協(xié)定也因此應運而生。PD可確保透過(guò)任何連接裝置傳輸或獲得適當范圍的功率。

　　主機下行/裝置上行連接埠　兩者須在功率達成一致

　　在討論USB Type-C之前，有必要先對裝置、主機、電源供應器(電源)和電源接收器(消耗裝置)進(jìn)行區分。主機不一定是電源，因此這兩個(gè)名詞不能夠交替使用。主機發(fā)起所有通訊而裝置做出回應。一般而言，主機是下行連接埠(或稱(chēng)為DFP);裝置則是上行連接埠(或稱(chēng)為UFP)。如果連接兩臺主機，則主機可充當雙重用途連接埠(或稱(chēng)為DRP)，在主機和裝置角色之間切換。以下例子針對上述詞匯提供說(shuō)明：將鍵盤(pán)連接至筆記型電腦時(shí)，鍵盤(pán)是UFP和消耗裝置，而筆記型電腦是DFP和電源。

　　連接裝置之間的初始電力傳輸協(xié)議是透過(guò)一系列電阻器執行，當Type-C插頭插入插座時(shí)，這些電阻器充當CC線(xiàn)路上的分壓器。由于插頭中的CC線(xiàn)路會(huì )連接至插座中的CC1或CC2，因此插座只要測量CC1和CC2線(xiàn)路上的電壓，即可判定插頭的方向。上拉電阻的不同數值可傳達電源能夠提供的電流量，同時(shí)可確定UFP和DFP分別是什么。電力消耗裝置沒(méi)有辦法透過(guò)不同的下拉電阻值指出其消耗的電流量，而是必須不斷地調整其負載以符合電源供應器可提供的最大電流。

　　為了能夠正確讀取分壓器，兩個(gè)裝置都需要有類(lèi)比處理單元，通常是以MCU內部精準的ADC形式出現。ADC可持續測量CC線(xiàn)路上的電壓，藉此監控插頭與插座之間的連接。MCU也稱(chēng)為PD控制器，可處理完整的實(shí)體層以及上層協(xié)定，也會(huì )與正在傳輸或接收的功率進(jìn)行協(xié)商。若針對簡(jiǎn)單的Type-C應用，功率協(xié)商機制可使用電阻停止。但是為了提供更具適應性的設計，裝置可透過(guò)在CC線(xiàn)路上進(jìn)行通訊，對于不同的設定達成一致意見(jiàn)。

　　決定插頭方向以及初始功率之后，裝置會(huì )使用CC線(xiàn)路彼此通訊(圖4)。透過(guò)這種方式，裝置可以在不同的電源功率上達成一致，并且指定消耗裝置或電源，以即時(shí)調節電力傳輸。CC線(xiàn)路通訊也可以用于通知將使用的通訊類(lèi)型。如先前所述，USB Type-C可于高速線(xiàn)路、USB 2.0等進(jìn)行通訊。裝置會(huì )通知這些線(xiàn)路中可以透過(guò)CC線(xiàn)路使用的線(xiàn)路。但是并非所有裝置都支援所有通訊協(xié)定。

　　圖4　USB Type-C通道線(xiàn)路拓撲

　　如果兩個(gè)連接裝置彼此并不支援，則會(huì )出現故障。舉例來(lái)說(shuō)，如果只能從主機接收視訊的監視器連接至無(wú)法支援或提供視訊資料的主機，將會(huì )出現故障。如果發(fā)生這種情況，主機仍然無(wú)法獲知失敗，原因是無(wú)法建立通訊。有鑒于此，USB Type-C標準要求監視器上的嵌入式裝置或是裝置端作為故障防護裝置，也稱(chēng)為告示裝置。告示裝置會(huì )在無(wú)法建立通訊的D+和D-線(xiàn)路上透過(guò)USB 2.0標準將訊號傳送至主機。然后，主機會(huì )通知使用者兩個(gè)裝置并不相容(圖5)。告示裝置一般會(huì )是MCU，可能和PD控制器相同。

　　實(shí)現舊設備轉接　Dongle扮演功率協(xié)商角色

　　如要使用者想要使用不支援USB Type-C的舊型周邊設備，則須要使用轉換線(xiàn)或Dongle。有幾點(diǎn)須要解釋?zhuān)谝皇呛?jiǎn)單的USB 2.0轉Type-C。由于USB 2.0不支援較高速度，且在Vbus上不需要5V或3A以上的電壓或電流，因此連接線(xiàn)只須將D+/D-、Vbus和GND傳送至接頭即可。而比較困難的是如何開(kāi)發(fā)Type-C轉Type-C連接線(xiàn)、轉換USB 3.0/1為T(mén)ype-C的Dongle，或是在Vbus上需要5V或3A以上電壓或電流的裝置。

　　圖6　USB Type-C轉Type-C連接線(xiàn)

　　在這些情況下，Dongle成為兩個(gè)裝置間功率協(xié)商的一部分，要求連接線(xiàn)或Dongles具有嵌入式PD控制器。PD控制器最初是透過(guò)設定為5V的Vbus或是Vconn線(xiàn)路供電，接下來(lái)會(huì )與主機協(xié)商，就Vbus線(xiàn)路中的電源功率達成一致意見(jiàn)。圖6顯示電子標記的連接線(xiàn)組件，或EMCA范例，將兩個(gè)Type-C裝置連接在一起。PD控制器的電源可由Vconn1或Vconn2提供。EMCA會(huì )通知其在CC線(xiàn)路上的最大功率容量，電源則會(huì )作出相應調整。

　　替代模式(Alternate Mode)是Type-C介面的功能延伸，可允許Display Port、PCIe或其他通訊協(xié)定使用USB 3.1 SuperSpeed線(xiàn)。當轉接器與相容主機連接時(shí)，將會(huì )進(jìn)入替代模式。支援替代模式的Dongle需要額外的預防措施與嵌入式裝置。Dongle必須告知主機其是否能夠進(jìn)入替代模式以避免無(wú)訊息錯誤。

　　Dongle透過(guò)告示裝置進(jìn)行通知，而USB Type-C PD標準則授權任何替代模式配件執行告示裝置。圖6顯示可將舊型視訊連接埠轉換為T(mén)ype-C的連接線(xiàn)。如果Type-C裝置不支援舊型視訊格式，PD控制器將通知告示裝置，接下來(lái)再將錯誤情況告知Type-C裝置。

　　比顯示埠/Type-C轉Type-C更加復雜的是擴充基座或集線(xiàn)器，其必須支援許多裝置的充電。集線(xiàn)器可以是多個(gè)Type-C或Type-A連接埠、HDMI、PCIe等的組合(圖7)。此集線(xiàn)器需多個(gè)嵌入式裝置，才能成功支援連接裝置。根據連接裝置的不同，每個(gè)連接埠所需的電量不同?？紤]到這一點(diǎn)，每個(gè)連接埠可能需要一個(gè)PD裝置。

　　圖7　多接頭 Type-C集線(xiàn)器連接線(xiàn)

　　任何視訊連接埠(例如顯示埠、VGA或HDMI)都需要告示裝置。此外，集線(xiàn)器需要裝置來(lái)控制傳到主機的流量。這一點(diǎn)相比Type-A集線(xiàn)器并無(wú)太大變化，因為須避免線(xiàn)路上產(chǎn)生碰撞，并且確保一次只有一個(gè)裝置與主機通訊。顯然，相對于先前簡(jiǎn)單的集線(xiàn)器，現在對于設計的要求更復雜、更嚴苛。 更形復雜的設計重任并不須要完全由開(kāi)發(fā)人員承擔。Silicon Labs提供開(kāi)發(fā)板、PD程式庫、告示原始碼以及用于Dongle、擴充基座和裝置連接埠的范例碼?？?戶(hù)如果在開(kāi)發(fā)新Type-C裝置時(shí)使用這些工具，可大幅減少投入USB Type-C開(kāi)發(fā)的時(shí)間和精力。

　　開(kāi)發(fā)板解決方案簡(jiǎn)化Type-C設計

　　以下是該公司所提供的開(kāi)發(fā)板，可利用充電功能執行VESA DisplayPort替代模式轉接器。類(lèi)似的開(kāi)發(fā)裝置可透過(guò)單一連接埠實(shí)現供電、充電以及視訊傳輸，進(jìn)而增加主機上單一Type-C連接埠的功能。開(kāi)發(fā)板上有兩個(gè)PD控制器，每個(gè)連接埠會(huì )使用一個(gè)，而告示裝置會(huì )透過(guò)另一個(gè)與DisplayPort搭配使用。參考設計可處理切換至替代模式、充電、告知主機錯誤情況，并且確保電力正確傳輸至顯示埠與主機。

　　從開(kāi)發(fā)板開(kāi)始(圖8)，在提供的韌體上作業(yè)，要比建立新平臺并從頭開(kāi)始編寫(xiě)韌體來(lái)得輕松、快速。制造商和供應商藉此可以為T(mén)ype-C解決方案提供更多功能，速度也比競爭對手更快。

　　圖8　開(kāi)發(fā)板上有兩個(gè)PD控制器，可利用充電功能執行VESA Display-Port替代模式轉接器。

　　該公司的MCU(例如，Busy Bee3)簡(jiǎn)化了Type-C的設計，將PD功能融入僅3×3mm2的單晶片中，并提供精密震蕩器、硬體PD PHY層級，并且為客戶(hù)提供低物料成本PD解決方案。

　　參考設計中使用的Universal Bee1是提供告示功能的單晶片解決方案。整合式穩壓器、精密震蕩器、USB 2.0PHY層級以及USB引腳上的±8KV ESD保護，使得此3×3mm2裝置能夠執行告示功能，而無(wú)需外部元件。

　　USB Type-C是因應未來(lái)趨勢的標準。從塞滿(mǎn)纜線(xiàn)的抽屜中找出正確的轉換頭或是纜線(xiàn)端的日子已不復見(jiàn)。展望未來(lái)，選擇連接線(xiàn)時(shí)須要判斷連接線(xiàn)是插頭或是插座，以及連接線(xiàn)是否能夠處理較高的電量。

　　現在，市場(chǎng)上已出現只采用Type-C 連接埠的智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦，而這些先驅裝置只是一個(gè)開(kāi)端。盡管如此，Type-C還需要嵌入式裝置和韌體來(lái)處理大量功能，因而也為開(kāi)發(fā)人員和制造商在移轉裝置時(shí)帶來(lái)龐大壓力，而Silicon Labs擁有參考設計、程式庫、韌體以及支援團隊，便可專(zhuān)門(mén)協(xié)助簡(jiǎn)化Type-C在廣泛應用中的需求。