USB Type-C型接口设计方案

USB-C 接口设计

USB Type-C 型接口之所以能被绝大多数电子设备采用，简单来说它具有如下优势：①支持正反插、②支持双向最大100W 电力传输、③支持协议扩展。

这三个功能都离不开Type-C 接口中的 Configuration Channel，简称 cc。

什么是 Configuration Channel (cc) ？

如上图所示，它是位于 Type-C Connector 中的两个 pin（A5、B5），是 Host 和 Device 之间重要的配置通道。

Type-C 的 Receptacle 和 Plug 连接后，不仅仅有 cc 的电平识别，还有基于 cc 的 PD 协议通讯。因此 cc 的主要功能是，Detection Device，Check Positive and negative，Configure Data Bus，Negotiate Power For Vbus，Discover and Configure Alternate Mode。

三种 Type-C Port 硬件线路设计

一个 USB-C 接口到底是Power Source，还是 Power Sink，并不取决于它是

Type-C Receptacle 还是 Plug。两个 Type-C 连接器连接后，电源最初方向和

内部 cc pin 电平密切相关。对于 Type-C 接口有三种硬件设计类型，如下所述。

A. Source Configuration Channel Functional Model

即硬件设计上作为一个 Power Source Port（和 Receptacle/Plug 无关），有如下功能：

1. Source 端的 PD Controller 使用 FET 去控制 Vbus 的 Power，未连接 Sink 时Vbus 关闭。
2. Source 端分别在 cc1/2 上连接 Rp 电阻，当 Sink 设备接入，cc 电压会被 Sink 设备上的 Rd 拉低一定程度，因此 Source 端根据 cc 电压即可判断是否有 Sink 接入。
3. Source 端根据 cc pin 拉低的情况，侦测并建立正确的 USB3.0 Data Path，控制 MUX 保证USB3.0 data path 处于导通状态。同时决定用未拉低的 cc pin 作为 Vconn输出，拉低的 cc pin 作为 PD 通讯。
4. Source 端一旦检测到 Sink 接入，就会提供 Vbus 和 Vconn Power。
5. Source 端能够动态调整 Rp 的值，改变提供给 Sink 的 Current Level。
6. Source 端会持续检测 cc 电压状态，以判断 Sink 是否处于接入状态。一旦 Sink 移除，Source 会关闭 Vbus 和 Vconn。

B. Sink Configuration Channel Functional Model

即硬件设计上作为一个 Power Sink Port（和 Receptacle/Plug 无关），有如下功能：

1. Sink 端在 cc1/2 上同时接 Rd 电阻，以改变 Power Source 端 cc 电压。
2. Sink 端以 Vbus 上是否有 Power 判断 Source 端是否接入
3. Sink 端根据 cc pin 拉高的情况，侦测并建立正确的 USB3.0 Data Path，控制 MUX 保证 USB3.0 data path 处于导通状态。
4. Sink 端可以根据实际设计，侦测 cc 电压（Power Source 端 Rp 值不同，cc 分压不同），以判断Source 端当前的 Current Level。同时需要管控自身的负载，防止 Source 端过流。

C. DRP Configuration Channel Functional Model

即硬件设计上作为一个 DRP，即 Dual Role Power（和 Receptacle/Plug 无关）既可以供电也可以受电，有如下功能：

1. DRP 端使用 FET 去控制 Vbus 的 Power，作为 Source 时，默认 Vbus 关闭。
2. DRP 端使用开关，分时连接 Rp 或者 Rd，使其对外呈现的 Source 和 Sink 状态来回切换。
3. 关于 Source、Sink 的切换，在最开始连接时，有如下逻辑
   a. 在建立连接状态前，DRP 呈现的 Source 或者 Sink 会来回切换。切换周期为
   tDRP（500--100ms），Rp 呈现的时间为 dcSRC.DRP（30%--70%），切
   换时间为 tDRPTransition（0--1ms）。Type-C 接口规范定义 Rp 呈现时间
   是在 30%--70%占空比范围内变化的。但是有些 PD 设计为没有变化，固定
   50%占空比。
   b. 当 DRP 呈现为 Power Source 时，遵循 Source Port 行为。
   c. 当 DRP 呈现为 Power Sink 时， 遵循 Sink Port 行为。

USB-C 接口功能

基于上述三种Type-C 接口硬件设计，仅依靠 cc 电压识别就可以完成如下功能。

连接侦测

Type-C 接口的 Vbus 默认是没有电压的。当 Source 端侦测到 Sink 接入后，才会在 Vbus 上输出 Power。如下图，Source 端在两个 cc pin 上呈现上拉电阻 Rp，对外都呈现高电平。Sink 端在两个 cc pin 上呈现下拉电阻 Rd，对外呈现都呈现低电平。

Type-C to Type-C Cable 上设计一个 cc 下拉 Rd，一个 cc 下拉 Ra。当 Source 端侦测到 cc 电压变化后，即认为有 Device 接入。

Power Source 端会在 Rd 下拉的 cc pin 上完成后续的 PD 协议通讯，在 Ra 下拉

的 cc pin 上输出 Vcoon Power。

正反侦测

Type-C 接口规范定义 cc1 pin 接 Rd 后，为正向接入。cc2 pin 接 Rd 后，认为是反向接入。然而实际使用中，无法确定哪个是 cc1 pin 哪个是 cc2，因此正反插都是相对而言。

Power 能力识别

在单纯的 Type-C 接口中，即使没有 PD 通讯，Power Sink 端也可以识别到 Power Source 端的供电能力。

Power Sink 端侦测到 cc pin 上的电压值，即可判断出 Power Source 端供电能力。Power Source 端 Rp 取值情况，以及 cc 通讯时电压如下表。

	Pull up to 5V	Pull up to 5Vcc Voltage	Pull up to 3.3V	Pull up to 3.3Vcc Voltage
Default USB Power（500mA）	56k	0.417v	36k	0.409v
1.5A	22k	0.940v	12k	0.984v
3A	10k	1.688v	4.7k	1.717v

如下示波器波形，是 Pull High 是 3.3V，声明 5V@3A 的情况下，cc 通讯时

电压为，(5.1/(4.7+5.1)*3.3=1.1717V。

Cable 侦测

对于 Type-C to Type-C 的转接线来说，其内部只有一个 cc pin 用于导通 Host/Device 端的 cc，用于 PD 协议通讯。

对于不含 e-Mark 的 Passive Cable 不存在另外一个 cc pin，内部是断开的。

对于有 e-Mark 的 Active Cable，另外一个 cc pin 设计下拉电阻 Ra，大小为 800-1200Ω。

当 Source 在 cc pin 检测到 Ra 时，会在对应的 cc pin 上输出 Vconn Power 用于给 Active Cable 中的 IC供电，以便 Source 端读取 e-Mark 中存储的 Cable 信息。一般来说 Vconn 电压 2.7-5.5V，功率最大 1.5W。

e-Mark IC 是一个 Support PD 协议的控制器，内部存储了 Cable 的 Data/Power 传输能力。

某些 Active Cable 中还存在 Re-Driver 用于增强高速信号的驱动能力。

数据线配置

在 USB-C Receptacle 接口中，是有两组 USB2.0 信号的，所以不管 Plug 以何种

方向接入，USB2.0 信号总是正常导通的。但是对于 USB、DP、TBT、PCIe 等高速信号必须用 MUX 芯片完成切换才能正常导通。

以 PS8812 6进4出 MUX 为例，传输 USB3.0 信号时。

正插，USB3.0 信号走 Rx/Tx-1。

反插，USB3.0 信号走 Rx/Tx-2。

所以 PD 芯片需要侦测到正反插，然后通过 GPIO 告知 PS8812 切换内部开关，导通 USB3.0 信号。

以 PS8812 6进4出 MUX 为例，传输 USB3.0 + DP 信号时。

正插，USB3.0 信号走 Rx/Tx-1，2-Lane DP 走 Rx/Tx-2。

反插，USB3.0 信号走 Rx/Tx-2，2-Lane DP 走 Rx/Tx-1。

所以 PD 芯片需要侦测到正反插，然后通过 GPIO 告知 PS8812 切换内部开关，导通 USB3.0 和 DP 信号。

如下两种功能需要 PD 协议配合

PD 供电协商

对于 USB-C 接口，由于硬件的设计，连接后默认 Power Source 端只会提供最大

15W（5V@3A） 的供电，而且反向不可再切换供电方向。借助于 PD 协议，USB-C 口在连接后，可以协商供电功方向和供电功率（最大100W，20V@5A）。

AltMode 配置

对于 USB-C 接口，不局限于传输 USB2.0 和 USB3.0 信号。还可以借助于 PD 协议配置AltMode，支持 DP、TBT、PCIe、USB4 等协议的传输。

常见的几种连接 Type-C 接口连接

Source Only 和 Sink Only 连接，两端安照各自 Power 角色继续工作。

Source Only 和 DRP 连接，当 DRP 的 cc 呈现低电平时，两端连接状态建立。

DRP 端按照Power Sink 角色继续工作。

Sink Only 和 DRP 连接，当 DRP 的 cc 呈现高电平时，两端连接状态建立。

DRP 端按照Power Source 角色继续工作。

当 DRP 和 DRP 连接。按照标准，DRP 的 Rp 和 Rd 是动态切换的，而且变化频率不固定。因此 DRP 连接后，Source/Sink 是随机建立的。一旦 Source 和 Sink 确定，各自按照其角色继续工作。根据需要借助于 PD 协议完成高级的 Power Level 协商和 Power Direction 切换。

USB-C 兼容设计

USB Type-C 作为一个全新的 USB 接口，和 USB Type-A/B 接口是完全不同的设计，兼容性必然是 Type-C 接口需要考虑的问题，主要是电源兼容和 USB 通讯兼容。

Type-C 接口实际使用时必须和当下 Type-A/B 的 Host、Device、Cable 相互兼容，转接线就必不可少了。USB Type-C 规范针对兼容的转接线也提出了设计规范。

Type-A 接口设计

本文仅以 USB Type-A 型标准接口对比阐述 USB-C 接口的兼容设计，所以先介绍下 USB Type-A 型接口的电源和 USB 通讯。

对于 USB Type-A 型接口，Receptacle 端必然是 Power Source，Plug 端必然是 Power Sink。对于 USB2.0 接口只有 D+/- 负责 USB2.0 通讯。

对于 USB3.0 接口兼容 USB2.0，D+/- 负责 USB2.0 通讯，Tx/Rx 差分信号线负责 USB3.0 通讯。

兼容 Type-A

USB Type-C 接口为了兼容 Type-A 接口，设计了两种转接线。

Type-C Plug 转 Type-A Plug

如上图，Type-C Plug 内部设计 Rp，呈现为 Power Source。不管 Type-C Plug 接入 Power Sink 或者 DRP 接口都能作为供电端。

另一端 Type-A Plug 只能作为 Power Sink 连接 Power Source 的 Type-A Receptacle 取电。

上述表格即是 USB Type-C 转 Type-A Plug 连接线的内部引线顺序。

需要注意的是 A5需要通过 Rp 连接至 Vbus。其他未描述引脚全部悬空。

Type-C Plug 转 Type-A Receptacle

如上图，Type-C Plug 内部设计 Rd，呈现为 Power Sink。不管 Type-C Plug 接入 Power Source 或者 DRP 接口都能作为受电端。

如此转接线的另一端 Type-A Receptacle 就可以作为 Power Source。

上述表格即是 USB Type-C 转 Type-A Receptacle 转接线的内部引线顺序。

需要注意的是 A5需要通过 Rd 连接至 GND。其他未描述引脚全部悬空。

当然除了 Type-C 接口规范中定义的转接口外，还能见到 Type-C Receptacle 转 Type-A Plug，原理和上述转接口类似。