USB-C Port的Data Role、Power Role工作原理介绍

一、Data Role协议通讯过程和工作原理

Data Role描述了数据传输的方向。在Type-C接口中，下行端口（DFP）可以作为Host或HUB，负责提供VBUS和VCONN，并接收数据。与之相对的上行端口（UFP）则作为Device，从VBUS中获取电力，并发送数据。而双角色端口（DRP）则能够在Host和Device之间进行动态切换。

通讯信号内容：

连接建立阶段：

设备A发送默认的USB信号（如USB JID信号）给设备B。

设备B收到信号后，回复USB Detection信号给设备A，确认连接建立。

数据传输阶段：

设备A发送SOF（Start of Frame）信号给设备B，表示开始传输数据。

设备B收到SOF信号后，回复ACK（Acknowledgment）信号给设备A，表示数据已成功接收。

数据传输过程中，设备A和设备B通过交换一系列数据包实现数据传输。这些数据包可能包括Data Token、STP（Split Transaction Preamble）、STP Token、Data Preamble、Data、Handshake等信号内容。

角色切换阶段：

设备A发送PR_Swap请求信号给设备B，请求切换为Sink角色。请求信号可能包含电压级别、电流限制等信息。

设备B收到请求信号后，通过CC引脚发送PR_Swap_GIVE响应信号给设备A，表示同意切换。响应信号可能包含确认信息或状态信息。

在角色切换完成后，设备A作为Sink模式会打开VBUS和VCONN，提供电力给设备B。同时设备B也会进行相应的配置调整以接收电力。

断开阶段：

当设备A与设备B断开连接时，双方设备会通过CC引脚发送DISCONNECT请求信号。请求信号可能包括断开的原因、断开前的状态等信息。

在确认断开后，设备A和设备B会关闭VBUS和VCONN，结束连接。同时双方设备也会进行一些清理和复位操作。

二、Power Role协议通讯过程和工作原理

Power Role定义了供电的角色。根据USB PORT的供电情况来划分，Source是供电方，Sink则是受电方。Source Only表示只能作为供电方，Sink Only则只能作为受电方。默认情况下，设备为Source模式，但可以通过PD SWAP协议切换为Sink模式。

通讯信号内容：

源模式阶段：

设备A作为Host模式默认打开VBUS和VCONN，向设备B提供电力。

设备B作为Device模式接收电力并发送回复信号给设备A，该回复信号可能包括电力的状态、需求或反馈信息等。

角色切换阶段：

当设备B需要从设备A接收电力时，双方设备会进行角色切换。

设备A作为Source模式发送PR_Swap请求信号给设备B，请求切换为Sink角色。请求信号可能包含电压级别、电流限制等信息。

设备B作为Sink模式响应PR_Swap_GIVE信号给设备A，表示同意切换。响应信号可能包含确认信息或状态信息。

在角色切换完成后，设备A作为Sink模式打开VBUS和VCONN，提供电力给设备B。同时设备B也会进行相应的配置调整以接收电力。

断开阶段：

当设备A与设备B断开连接时，双方设备会通过CC引脚发送DISCONNECT请求信号。请求信号可能包括断开的原因、断开前的状态等信息。

在确认断开后，设备A和设备B会关闭VBUS和VCONN，结束供电。同时双方设备也会进行一些清理和复位操作。

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）

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。

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

连接方向、Data Role、Power Role角色检测

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。

Type-C的其他模式

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。

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。

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。






审核编辑：刘清