USB Type-C的工作原理与技术分析

USB Type-C的工作原理与技术分析

(一) USB 3.1 基本规格

图1.历代USB规格 ↑

图2.历代USB传输速度比较 ↑

图3.历代USB输出功率及标志比较 ↑

有SS字样的代表支援PD，
有SS和10的USB标志代表支援USB3.1及PD2.0

(二) USB Type C 的五大优势

图4.历代USB接头形状比较 ↑

1. 功能齐全 : 同时支援数据、音频、视频传输，还支援充电功能，全集中在一条传输线，可解决传输线太多的问题。
2. 支援正反插：type C的脚位是镜像设计，可以支援正反插，硬体上有特别的侦测机制可以判断是正插还是反插，这部分在後面会提到。(半夜手机要充电不用再开灯看接头方向了!)
3. 双向传输 : 数据、电力可以双向传输与充电。
4. 向下兼容 : 可透过转接器(dongle)，兼容USB type A、micro B等接口。
5. 传输速率快 : 支援USB 3.1，可支援高达10Gbps的数据传输。

(三) USB Type C 脚位功能概述

图5.USB type C 母头 / 公头脚位示意图 ↑

图6.USB type C 母头(receptacle)脚位功能说明 ↑

脚位说明：
(1) Tx / Rx : 两组差分讯号传输对，用於数据传输。
(2) CC1 / CC2 (Configuration Channel) :
侦测正反插、侦测cable有没有接上、判断哪边是DFP (Downstream Facing Port)及UFP (Upstream Facing Port)、配置Vbus、配置Vconn、
配置其他模式(alternate or accessory mode)、PD沟通等，总言之，CC透过USB type C接线管理主从两端之间的沟通。
(3) Vbus : 供电用(power supply)，CC pin接上，Vbus才供电
(4) D+ / D- : 向下支援USB2.0用。
(5) SBU1 / SBU2 : 传输辅助信号用，DP Alt mode可利用此脚位传送AUX资料。
(6) GND : 接地，电源和接地有4个，所以可以支援到100W。

(四) CC 工作原理及模型

图7.USB CC脚位工作模型 ↑

(1) DFP (Downstream Facing Port)为 Host 端，另一边的 UFP (Upstream Facing Port)则为 device 端。在 DFP
的 CC pin 会有上拉电阻 Rp，在 UFP 则会有下拉电阻 Rd。(Rp决定host端提供给device端的供电能力)
(2) 在 DFP 与 UFP 未连接之，DFP 的 VBUS 是没有输出的。当 DFP 与 UFP 连接後，CC pin 相接，DFP 的
CC pin 侦测到 UFP pulldown Rd，表示接到 Device，DFP 便打开 VBUS 的 FET 开关，输出 VBUS 电源给
UFP，也就是说在尚未侦测到 CC PIN 的设定之前，VBUS 是不会供应任何电源给 UFP 端的。
(3) 从上图可以明显得知,除了 Ra 之外，其余电阻都不该出现在 cable 之中，Ra 数值如下图表格所述是一个区间值，一般使用 1k ohm，如作为电源供应器的线材则可能会略低於 800 ohm :

图8.Ra电阻值区间 ↑

(4) Rp 的数值是有被规范的，目前常见的 56k ohm 被规范为 default USB power，一般用於相容於传统 USB架构，故常出现 USB2.0/USB3.0 的 type A/B to type C 的线材在 type C 端加入该电阻。其余电阻值请看
下图表格:

图9.Rp电阻值区间 ↑

(5) Rd 在规范中仅有 5.1k ohm ，不会在 cable 中使用。
(6) 有 Ra 的 cable，内部一定都有 e-mark IC，所以都会支援 PD 协议。没有 Ra 的 cable 一定就是 passive cable，内部是没有 IC 的，当然一定不支援 PD 协议。
(7) CC pin 的侦测可分为以下数种结果：

图10.Source端 CC pin 侦测结果总表 ↑

Sink端通电後，将侦测CC1和CC2的电压是否大於其本地接地电压，若处於较高的电压，即代表被Source端中的Rp上拉电位，所以可以判断插头的方向。
(8) 正反插侦测
由於 Type-C 是支援正反插，CC pin 被用来侦测正反插，从 DFP 的角度来看，当 CC1 接到 Pulldown (Rd)就是正插，如果是 CC2 接到 Pulldown 就是反插。在侦测完正反插後，就会输出相对应的 USB 信号， 例如 CC1 对应的是 SSTX1 与 SSRX1。下图的右边整合了 MUX，由於 USB 3.1 的 data rate 高达 10 Gbps，为了避免 PCB 的走线出现分支，所以正反插进来的讯号会由 MUX 来切换，正插时，切换到 SSRX1&SSTX1，反插时，切换到 SSRX2&SSTX2。

图11.Data传输路径示意图 (蓝线为正插，红线为反插)↑

(五) 小结

图12.2016年版本後的Macbook开始采用USB type-C接孔

在USB type-C问世以前，我们的周遭总是出现各式各样的连接线，接显示器的一条线、接耳机的一条线、充电的一条线、传输资料的一条线......，现在，只要一条USB type-C通通都可以搞定，体积比USB type-A更小，可以让3C产品有更轻薄的机构设计；不分正反插的接头设计和最高10Gbps的传输速率，节省了每位使用者的宝贵时间；最高100W的输出功率，几乎可以帮身边每个行动装置快速充电，看来，USB type-C要在传输界面上一统江湖，只是迟早的事。

资料来源：
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