在設計載板時(shí)添加USB-C - 第2部分

這是我們兩篇博客系列的第二部分。在第一部分中，您學(xué)習了 USB-C 引腳、配置通道和電源分配。
讓我們繼續通過(guò)您已經(jīng)學(xué)到的知識分析現實(shí)世界的示例，然后我們將以分析USB-C上的數據信號來(lái)結尾。

在跳進(jìn)現實(shí)案例之前，讓我們快速回顧一下電阻設置以及DFP設備（主機）在連接不同電阻時(shí)檢測CC引腳時(shí)可能檢測到的狀態(tài)：

USB-C Configuration Channel

現在，您可以查看一個(gè)真實(shí)的工作案例 ，一個(gè)雙重角色的 USB-C 端口，可以為連接設備提供電源。

Simple USB-C dual role port

本節摘自Verdin開(kāi)發(fā)板，使用了TUSB321芯片來(lái)處理配置通道和VBUS中的功率切換芯片。CC連接的芯片檢測線(xiàn)纜的方向和電源輸入設備的存在（請參見(jiàn)上面的表格）。然后，它將檢測到的狀態(tài)告知給Verdin模塊，該模塊控制功率切換芯片。根據引腳狀態(tài)，TUSB321可以宣布不同的最大輸出電流級別（0.5 / 0.9A，1.5A和3A）。功率切換芯片（IC4）的電流限制需要相應調整。

The block diagram for the TUSB321

在 TUSB321 中，您可以看到 CC 引腳切換到下拉電阻，并且可配置上拉電阻。這種方式使您的設備可以用于 UFP、DFP 和 DRP 配置 ，由 PORT 引腳控制 ，并可配置以宣布其電源傳遞能力 ，這由 CURRENT_MODE 引腳控制。由于 TUSB321 僅使用上拉電阻來(lái)宣布端口的電源能力，因此它只能宣布最大為5V和3A（15W）的電源。對于更高的電壓，需要使用高級電源傳遞配置芯片。

您還會(huì )發(fā)現查看電源匯輸入設備示例很有幫助。

USB-C power sink

本節內容適用于我們的 Dahlia 載板，該板具有一個(gè)能夠進(jìn)行總線(xiàn)通信的芯片（IC23）。因此，這種解決方案可以協(xié)商獲得具有高于5V和大于3A的電流的功率配置。連接到CC引腳的芯片具有內置的EPROM，其中包含三個(gè)配置。這些信息通過(guò)CC總線(xiàn)進(jìn)行通信，并由可用匹配配置的電源輸出設備使用。當兩個(gè)設備都同意一個(gè)相互可用的配置時(shí)，VBUS被切換，設備可以從總線(xiàn)上開(kāi)始消耗電力。

原理圖還提供了一個(gè)選配的充電器檢測器芯片（IC22）。通過(guò)檢查D+和D-數據信號是否短路在一起，IC22可以檢測到傳統充電器。如果USB電源輸送協(xié)商成功（IC23）或接入USB Type-A充電器（IC22），則啟用總線(xiàn)電源（IC20），并且載板可以開(kāi)始啟動(dòng)模塊。如果未檢測到充電器或USB-C電源輸送端口，則系統將不會(huì )啟動(dòng)，因為不被允許從端口吸取超過(guò)5V / 100mA的電流。

USB-C 接口相比以前的接口，具有更多的數據信號引腳，這一點(diǎn)值得注意。

• 兩條 Super-Speed 信號通道——TX 和 RX 對。

• 對稱(chēng)的 D+ 和 D- 信號對（只在設備端冗余）。

• 兩個(gè) Sideband Use（SBU）引腳，用于其他模式下的特殊功能。

USB 2.0的D+/D-引腳在插座上是對稱(chēng)的，這意味著(zhù)不需要識別插入的電纜的方向，也不需要多路復用器來(lái)切換信號。

為了充分利用USB-C的 Super-Speed 信號功能，必須使用多路復用器以及使用CC引腳進(jìn)行正確的電纜方向檢測，如第一篇博客所解釋的那樣，以便多路復用器能夠得到正確的控制。這是在使用雙路或單路配置時(shí)確保使用正確的通道所必需的。

讓我們看看實(shí)際的案例，以了解它們是如何聯(lián)系在一起的；

使用USB-C的最簡(jiǎn)單的配置是作為上行面向的高速端口設備。

USB-C Client

使用CC引腳的下拉電阻和D+ / D-引腳，所示電路是Micro Type-B連接器的簡(jiǎn)單替代品，完全符合USB-C標準。它可以用于鼠標和閃存驅動(dòng)器等設備。

可以使用下圖所示的配置替換OTG，該配置來(lái)自我們的Verdin開(kāi)發(fā)板，在分析USB-C電源輸出源時(shí)曾在本博客文章中出現過(guò)。

High-Speed DRD

CC引腳和已經(jīng)解釋過(guò)的檢測過(guò)程用于定義設備的角色，即作為DFP或UFP，以及 D+和D-引腳被用作 Data Signals 和之前示例相同。

在這里使用沒(méi)有 Super-Speed 引腳的連接器是一個(gè)好的做法，否則會(huì )可以大大增加引腳密度，增加PCB布線(xiàn)的工作量。

在我們的 Apalis 載板參考設計中，您可以看到USB-C的更高級用途。

USB-C Super-Speed

當向您的USB-C應用添加 Super-Speed 功能時(shí)，如前所述，所需的多路復用器用于將 Super-Speed 信號連接到電纜的正確一側，這可以簡(jiǎn)單地由同一個(gè) TUSB321芯片控制。

在這個(gè)設計中，使用了一個(gè)技巧來(lái)簡(jiǎn)化布線(xiàn)過(guò)程：CC引腳被反轉，因此用于控制多路復用器的信號也被反轉，簡(jiǎn)化了多路復用器周?chē)牟季€(xiàn)。

現在，讓我們來(lái)看一個(gè)來(lái)自筆記本電腦應用的完整功能示例。

Laptop USB-C implementation
Source: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PTN5100.pdf

在這個(gè)設置中，筆記本可以充電或為UFP設備提供電源，包括通過(guò)專(zhuān)用IC（PTN5100）進(jìn)行電源協(xié)商和可同時(shí)使用的顯示端口功能。請注意矩陣切換器IC，它可以連接來(lái)自CPU圖形部分的視頻信號和南橋的 Super-Speed 信號。

讓我們更仔細地看一下使用USB-C和顯示端口配置的可能性。您可以在下面的圖像中看到其中一些選項：

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Display port configurations

重申一下，DisplayPort最多可以使用4個(gè)通道，但也可以使用1個(gè)或2個(gè)通道。每個(gè)用于 super-speed 信號的雙向通道（TX/RX對）可以容納2個(gè)DisplayPort通道，因為它的通道是單向的。因此，如果您只使用2個(gè)DisplayPort通道，則可以在剩余的雙向通道中與 super-speed 信號結合使用。這也意味著(zhù)在DisplayPort中使用高分辨率（使用4個(gè)通道）時(shí)，您只能使用 D+和D-引腳的 USB 2.0。

讓我們看看一些錯誤，這些錯誤可以通過(guò)嚴格遵循標準來(lái)避免。

Rasp Pi 4 USB-C circuit
Source: https://datasheets.raspberrypi.com/rpi4/raspberry-pi-4-reduced-schematics.pdf

在樹(shù)莓派4的第一個(gè)版本中，CC引腳共用了同一個(gè)Rd電阻，這導致它們被短接在一起。當使用被動(dòng)線(xiàn)纜（無(wú)標記芯片）連接時(shí)，DFP設備只能在一個(gè)CC引腳上檢測到Rd，因為只有CC1 在線(xiàn)纜中被連接，這導致UFP設備可以正常工作。對照表格進(jìn)行查看：

然而，讓我們看看當它連接到一個(gè)在 CC2 兩端都有Ra電阻的主動(dòng)USB-C線(xiàn)纜時(shí)會(huì )發(fā)生什么：

Resultant configuration with marker cable

在DFP設備端，CC2引腳檢測到Ra電阻，CC1引腳檢測到并聯(lián)于電纜另一端的Ra電阻，由于Raspberry Pi板上的CC1和CC2引腳短接而引入的Rd電阻。這種并聯(lián)配置導致形成了836歐姆的電阻，其在Ra電阻的允許值范圍內。如果你仔細檢查一下表格，你會(huì )發(fā)現這導致了檢測到音頻適配器的狀態(tài)，使板子無(wú)法獲得電源。

通過(guò)介紹基本的USB-C概念，你現在了解了它所帶來(lái)的可能性、限制以及使用其資源的基本設置。
更詳細的信息可通過(guò)下面的鏈接獲得，如果你需要設計載板方面的幫助，歡迎給我們留言。

• Official USB Specifications https://www.usb.org/documents

• Wikipedia articles

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB-C

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB_3.0

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB

• Short USB-C and Power Delivery Guide https://microchipdeveloper.com/usb:type-c

• Easy to read USB 2.0 - the basic about enumeration and the protocol https://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml

• Toradex Design Guides

• https://docs.toradex.cn/108140-verdin-carrier-board-design-guide.pdf

• https://docs.toradex.cn/101123-apalis-arm-carrier-board-design-guide.pdf