Type-C、PD原理

最近有个项目用到TYPE-C供电，因为默认5V，不用做协议，看到详细的TYPE-C介绍，所以收藏备用。

目录

一、Type-C简介以及历史

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

三、Type-C的Data/Power Role识别协商/Alt Mode

四、如何进行数据链路的切换

五、相关参数/名词解释

六、PD协议简介

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一、Type-C简介以及历史

        自1998年以来，USB发布至今，USB已经走过20个年头有余了。在这20年间，USB-IF组织发布N种接口状态，包括A口、B口、MINI-A、MINI-B、Micro-A、Micro-B等等接口形态，由于各家产品的喜好不同，不同产品使用不同类型的插座，因此悲剧来了，我们也要常备N中不明用途的接口转接线材。

图1   USB协议发布时间节点

        而对于Type-C来说，看起来USB标准化组织也是意识到统一和标准化问题，在定义标准时，除了硬件接口定义上，还增加了一部分“个性化”特点。分别是什么呢？

1.1 定义了全新的接口形态

        接口大小跟Micro USB相近，约为8.3mm x 2.5mm，支持正反插，同时也规范了对应的线材，接口定义如下（线材端只有一对USB2.0 DATA）：

在插座定义上，定义了如下两种插座：

 

a）全功能的Type-C插座，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。 

b）USB 2.0 Type-C插座，只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。

在插头定义上，定义了如下三种插头：

a）全功能的Type-C插头，可以用于支持USB2.0、USB3.1、等特性的平台和设备。 
b）USB 2.0 Type-C插头，只可以用在支持USB2.0的平台和设备上。 
c）USB Type-C Power-Only插头，用在那些只需要供电设备上（如充电器）。

在线缆定义上，定义了如下三种线缆：

a）两端都是全功能Type-C插头的全功能Type-C线缆。 
b）两端都是USB 2.0 Type-C插头的USB 2.0 Type-C线缆。 
c）只有一端是Type-C插头（全功能Type-C插头或者USB 2.0 Type-C插头）的线缆。

还定义了N种为了兼容旧设备的线缆：

a）一种线缆，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Type-A插头。 
b）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Type-A插头。 
c）一种线缆，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Type-B插头。 
d）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Type-B插头。 
e）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Mini-B插头。 
f）一种线缆，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Micro-B插头。 
g）一种线缆，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Micro-B插头。 
h）一种适配器，一端是全功能的Type-C插头，另一端是USB 3.1 Type-A插座。 
i）一种适配器，一端是USB 2.0 Type-C插头，另一端是USB 2.0 Micro-B插座。

以上这些线材，我们知道，Type-A接的是HOST，所以转接线中，CC引脚需要接上拉电阻。Type-B接的是Device，因此CC引脚需要接下拉电阻。

其中，具备全功能的Type-C应该具备E-Marker功能，由于具备E-Marker，线缆能够被读到其带电流的能力、特性、线材ID等等。E-Marker的供电电源来自于VCONN，如何知道线缆需要VCONN呢？线缆会通过下拉的电阻Ra，Source检测到之后会提供VCONN。

1.2传输速率，供电效能

       最大传输速度10Gb/s,即是USB 3.1 Gen2标准，也支持4 Lane DP模式，传输高清图像，在供电部分，最大可以支持100W（20V/5A）

 

1.3 “个性化”协商机制

      由于端口一致，线材两端接口也一直，为了能够区分两端USB设备的角色（Host/Device），必须有一套协商机制，便于进行角色确认，这部分通过CC(Configuration Channel)管脚进行设置。后面随着PD规范的面世，CC脚开始被用来做简单的半双工通信，用来完成POWER供给的协商

1.4 强悍的一统天下的态势

      由于Type-C的扩展功能（SBU1/SBU2），大部分配件诸如耳机、视频接口、Debug接口等等都可以实现兼容设计，成功逆袭以往所有的USB标准，成功上位！

 

二、Type-C Port的Data Role、Power Role

2.1 Type-C的 Data Role

        在USB2.0端口，USB根据数据传输的方向定义了HOST/Device/OTG三种角色，其中OTG即可作为HOST，也可作为Device，在Type-C中，也有类似的定义，只是名字有了些许修改。如下所示：

（1）DFP(Downstream Facing Port)：

下行端口，可以理解为Host或者是HUB，DFP提供VBUS、VCONN，可以接收数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输，笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。

（2）UFP（Upstream Facing Port）：

上行端口，可以理解为Device，UFP从VBUS中取电，并可提供数据。典型设备是U盘，移动硬盘。

（3）DRP（Dual Role Port）：请注意DRP分为DRD(Dual Role Data)/DRP(Dual Role Power)

双角色端口，类似于以前的OTG，DRP既可以做DFP(Host)，也可以做UFP(Device)，也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。设备刚连接时作为哪一种角色，由端口的Power Role（参考后面的介绍）决定；后续也可以通过switch过程更改（如果支持USB PD协议的话）。

2.2 Type-C的Power Role

    根据USB PORT的供电（或者受电）情况，USB Type-C将port划分为Source、Sink等power角色

如下图显示常用设备的Data Role和Power Role

Power Role 详细可以分为：

a）Source Only 

b）默认Source，但是偶尔能够通过PD SWAP切换为SINK模式

c）Sink Only

d）默认SINK，但是偶尔能够通过PD SWAP切换为Source模式

e）Source/SINK 轮换

 f）Sourcing Device （能供电的Device，显示器）

g）Sinking Host（吃电的Host，笔记本电脑）

 

三、Type-C的Data/Power Role识别协商/Alt Mode

     USB Type-C的插座中有两个CC脚，以下的角色检测，都是通过CC脚进行的，但是对于插头、或者线缆正常只有一个CC引脚，两个端口连接在一起之后，只存在一个CC引脚连接，通过检测哪一个CC有连接，就可以判断连接的方向。如果USB线缆中有需供电的器件，其中一个CC引脚将作为VCONN供电。

3.1 CC引脚有如下作用：

a）检测USB Type-C端口的插入，如Source接入到Sink

b）用于判断插入方向，翻转数据链路

c）在两个连接的Port之间，建立对应的Data Role

d）配置VBUS，通过下拉电阻判断规格，在PD协商中使用，为半双工模式

e）配置VCONN

 f）检测还有配置其他可选的配置模式，如耳机或者其他模式

3.2 连接方向、Data Role、Power Role角色检测

 3.2.1 SourceSink Connection

如图所示，Source端CC引脚为上拉，Sink端CC引脚为下拉。握手过程为接入后检测到有效连接（即一端为Host一端为Device），随后检测线材供电能力，再进行USB枚举。

如下图指示了Source端，在连接SINK之前，CC1和CC2的框图模型：

a）Source端使用一个MOSFET去控制电源，初始状态下，FET为关闭状态

b）Source端CC1/CC2均上拉至高电平，同时检测是否有Sink插入，当检测到有Rd下拉电阻时，说明Sink被检测到。Rp的阻值表明Host能够提供的功率水平。

c）Source端根据Cable中哪一个CC引脚为Rd下拉，去翻转USB的数据链路，同时决定另外一个CC引脚为VCONN

d）在此之后，Source打开VBUS，同时VCONN供电

e）Source可以动态调整Rp的值，去表示给Sink的电流发送变化，告知SINK最大可以使用的电流

 f）Source会持续检测Rd的存在，一旦连接断开，电源将会被关闭

g）如果Source支持高级功能（PD或者Alternate Mode），将通过CC引脚进行通信

    如下图指示了SINK端CC1和CC2框架：

 

a）SINK的两个CC引脚均通道Rd下拉到GND

b）SINK通过检测VBUS，来判断Source的连接与否

c）SINK通过CC引脚上拉的特性，来检测目前的USB通信链路（翻转）

d）SINK可选地去检测Rp的值，去判断Source可提供的电流。同时管理自身的功耗，保证不超过Source提供的最大范围

e）同样的，如果支持高级功能，通过CC引脚进行通信。

如下图指示DRP的CC引脚在链接之前的架构：

a）当作为Source存在的时候，DRP使用MOSFET控制VBUS供电与否

b）DRP使用Switch去切换自身身份作为Source，或者是SINK

c）DRP存在一套机制，分三种情况，去决定自身是SINK或者是Source，去建立两者间彼此的角色。

 

情况1：不使用PD SWAP，随机变成Source/SINK中的任意一个，CC脚波形为方波

 

情况2：自身倾向于作为Source，执行Try.SRC，问对面能不能做SINK呀，我做Source

情况3：与情况2相反，自身倾向作为SINK，执行Try.SNK，你做Source，我做小弟

 

当然还存在Source&Source，SINK&SINK这种搞基模式，唯一的结果就是一直停留在Unattached.SNK/Unattached.SRC，无法终成眷属。

3.3 Type-C的其他模式

3.3.1 Display Port Alternate Mode

      系统会通过USB PD协议中VDMs的信息通信（CC引脚通信），去告知支持Display Port模式。在这个模式当中，USB SuperSpeed 信号允许部分传输USB，部分传输DP信号。

 

3.3.2  Audio Adapter Accessory Mode 

       如下图，为3.5mm音频输入口转Type-C端口，USB2.0链路被用来传输模拟音频信号，若带MIC，MIC信号则连接在SBU引脚上，在这个模式当中，电源可以提供到500mA电流。

       Host端如何识别到音频模式呢？把CC引脚和VCON连接，并且下拉电阻小于Ra/2(则小于400ohm)，或者分别对地，下拉电阻小于Ra(小于800ohm)，则Host会识别为音频模式。

 

3.3.3 Debug Accessory Mode （DAM）

       在DAM下，连接软体和硬体提供可视化调试和控制的系统，使用较少。

四、如何进行数据链路的切换

4.1 纯USB3.0

以TUSB546(DFP)，TUSB564(UFP)为例子

前者的使用例子如笔记本电脑、后者的使用例子如Monitor

如下图，两端设备会根据插入方向，切换数据链路。图X插入连接为CC1，因此TUSB564切换到TX1/RX1

图中插入连接为CC2，因此TUSB564切换到TX2/RX2，也就是根据CC引脚插入，识别插入方向

4.2 USB3.1和2 LANE of DisplayPort

切换原理如上，需要注意的是，DP信号是使用TX/RX进行传输，DP的AUX是通过SBUx进行传输

 

4.3 纯DP模式 4 lane

 

 

问题思考：如何确定是DP 4 lane模式或者是DP 2 lane+USB3.0 模式？

通过CC引脚，利用PD协议沟通，协商，PD Controler 发起请求，并得到回应

五、相关参数/名词解释

5.1 上拉电阻Rp

Rp有6个参数（5V档位和3.3V档位各3个），指示着不同的供电能力。

5.2 下拉电阻Rd

都是5.1K电阻下地，能否检测电源供电能力，取决于电阻的精度。

5.3 线材中的下拉电阻Ra

最小值800 ohm，最大值1.2K

5.4 名词/连接状态解释

名词：

Alternate Mode Adapter(AMA)：支持PD USB交替模式的设备，作为UFP存在

Alternate Mode Controller (AMC)：支持PD USB交替模式的主机，作为DFP存在

Augmented Power Data Object(APDO)：体现Source端的供电能力或者Sink的耗电能力，是一个数据对象

Atomic Message Sequence(AMS)：一个固定的信息序列，一般作为PE_SRC_Ready, PE_SNK_Ready or PE_CBL_Ready的开始或者结束

Binary Frequency Shift Keying (BFSK)：二进制频移键控

Biphase Mark Coding(BMC)：双相位标识编码，通过CC通信

Configuration Channel (CC)：配置通道，用于识别、控制等

Constant Voltage (CV)：恒定电压，不随负载变化而变化

Current Limit (CL)：电流限制

Device Policy Manager(DPM)：设备策略管理器

Downstream Facing Port(DFP)：下行端口，即为HOST或者HUB下行端口

Upstream Facing Port(UFP)：上行端口，即为Device或者HUB的上行端口

Dual-Role Data (DRD)：能作为DFP/UFP

Dual-Role Power (DRP)：能做为Sink/Source

End of Packet (EOP):结束包

IR Drop：在Sink和Source之间的电压降

Over-Current Protection(OCP)：过流保护

Over-Temperature Protection(OTP)：过温保护

Over-Voltage Protection(OVP)：过压保护

PD Power (PDP)：Source的功耗输出，由制造商在PDOs字段中展示

Power Data Object (PDO)：用来表示Source的输出能力和Sink的消耗能力的数据对象

Programmable Power Supply (PPS)：电源输出受程序控制

PSD：一种吃电但是没有数据的设备，如充电宝

SOP Packet：Start of Packet，所有的PD传输流程，都是以SOP Packet开始，SOP*代表SOP，SOP’，SOP’’

Standard ID(SID)：标准ID

Standard or Vendor ID(SVID)：标准或产商ID

System Policy Manager(SPM)：系统策略管理，运行在Host端。

VCONN Powered Accessory(VPA)：由VCONN供电的附件

VCONN Powered USB Device(VPD)：由VCONN供电的设备

Vendor Data Object (VDO)：产商特定信息数据对象

Vendor Defined Message(VDM)：产商定义信息

Vendor ID (VID)：产商ID

状态：

Disabled State：从CC引脚移除终端，如果不支持该状态，那么该端口在上电后直接是Unattached.SNK或Unattached.SRC，该状态端口不会驱动VBUS或VCONN，CC1和CC2会呈现高阻到地
ErrorRecovery State：从CC1和CC2引脚移除终端，接下来会根据端口类型转化为Unattached.SNK或Unattached.SRC，这相当于强制断开连接事件，并寻找一个新的连接。如果该状态不支持，则转化为支持的disabled状态，如果disabled状态也不支持，则转化Unattached.SNK或Unattached.SRC。，该状态端口不会驱动VBUS或VCONN，CC1和CC2会呈现高阻到地
Unattached.SNK State：端口等待检测到Source的出现，一个端口Dead Battery不供电时候进入这个状态，端口不能驱动VBUS和VCONN，CC1和CC2分别地通过Rd终止到地，当Source连接检测到会转化为AttachWait.SNK，意味着在一个CC引脚上有SNK.Rp。USB 2.0不支持USB PD可能在VBUS检测到直接转化到Attached.SNK
AttachWait.SNK State：端口检测到SNK.Rp状态在一个CC引脚上，并等待VBUS。端口不驱动VBUS或VCONN
Attached.SNK State：端口连接上了，并作为Sink操作，如果初始化进入这个状态同样作为UFP操作，Power和Data的状态改变可以通过USB PD Command。直接从Unattached.SNK转化过来是通过检测VBUS，不确定方向和可用的高于默认的USB Power
Try.SRC State：端口查询决定伙伴端口是否支持Sink，不驱动VBUS和VCONN，端口要在CC1和CC2上分别Source电流
TryWait.SNK State：端口成为Source失败，准备连接成Sink，不支持VBUS或VCONN，CC1和CC2分别通过Rd终止
Try.SNK State：端口查询决定伙伴端口是否支持Source
TryWait.SRC State：端口成为Sink失败，准备连接成Source

六、PD协议简介

PD协议是Power Delivery，简单来说是一种快速充电标准。

包含PD协议的Type-C 系统从Source到SINK的系统框图大致如下：

      在Source的内部包含了一个电压转换器，且受到PD控制器控制，他会根据输入电压的条件以及最高可输出规格需求，此电压转换器可以是BUCK、Boost、Buck-Boost或者反激转换器。整个通信过程都在PD控制器的管控之下，USB PD还有一个开关，用于切换VCONN电源（电缆包含电子标签时用到）。

        当电缆接通之后，PD协议的SOP通信就开始在CC线上进行，以此来选择电源传输的规格，此部分由Sink端向Source端询问能够提供的电源配置参数（5V/9V/12V/15V/20V）。

如下波形为SINK 控制器申请一个9V电压输出的例子。

（1）SINK端发起SOP，申请获取Source能提供的规格资料

（2）Source回复能提供的规格列表

（3）SINK回复选择的电压规格，并带上所需要的电流参数，并发出相应的请求

（4）Source接受请求，并且把VBUS由5V抬升到9V

（5）在电压变化期间，SINK的电流会保持尽可能小，Source端VBUS到达9V并稳定之后，会发出Ready信号

（6）SINK端电流逐步抬升，若SINK需要降低电压，会重复以上过程

需要注意的是，在电压下降期间，Source为了让电压快速降低，Source会打开放电电路，达到额定值之后，Source会等待一段时间，电压稳定之后再发出Ready信号给SINK。

这种沟通方式的好处就是能确保任何电源的变化都能在SINK和SOURCE的规格范围内，避免出现不可控情况。

      PD协议的通信编码为Bi-phase Mark Coded (BMC)，通过CC脚进行通信，如下图。 

BMC码是一种单线通信编码，数据1的传输，需要有一次高/低电平之间的切换过程，而0的传输则是固定的高电平或者低电平。每一个数据包都包含有0/1交替的前置码，起始码（SOP），报文头，数据位，CRC以及结束码（EOP）

如下图所示，展开后的CC脚PD通信波形

BMC编码的通信，也可以使用分析仪进行分析，用来抓取每个数据包，并且获得数据包的作用，如电压电流等。

PD3.0规范中，定义了以下电源配置清单：

对于5V/9V/15V来说，最大的电流为3A，在20V的配置当中，如果是普通的电流，则最大能够支持20V/3A，即60W，如果使用的是带了E-Marker的线缆，则供电能达到20V5A，即100W。

支持超高速数据传输（USB3.1）或者是供电电流超过3A，电缆都必须使用E-Marker进行标识。线缆中有IC，他们需要从VCONN获得电源。

我们注意到，线缆中有1K的下拉电阻Ra，这样在线缆插入的时候，Source会识别到CC1和CC2电压下降的情况，具体的电压会告诉主机那个端子被Sink的5.1K下拉，那个端子被线缆的1K电阻下拉。因此线缆的插入方向也可以被识别到。Source就可以通过开关，给E-Marker提供VCONN。

如下图为带E-Marker的情况：

（1）电缆接通之后，Source的一根CC线被来自VCONN的1K拉低

（2）Source检测到此电压，知道电缆中有E-Marker，因此切换VCONN到对应的CC引脚

（3）在之后，PD通信将会包含Source和E-Marker之间的通信（SOP'&SOP''）Source和Sink之间为SOP

当设备为DRP时，设备的CC1和CC2为方波，一旦连接，CC端都会发生改变。

在本次连接当中，左边的DRP做了Source，右边的DRP作为SINK，也有可能翻转过来。也可以本来就设定SOURCE或者SINK优先。

连接之后，想翻转也是允许的，只要发起角色变换请求就可以了。