【儀器儀表商情網(wǎng) 技術分析】USB Type-C提供了很多特性，其中包括為終端用戶提供高級靈活性和便利性。系統(tǒng)設計人員必須謹慎選擇提供的選項，這樣，可將總體系統(tǒng)成本控制在合理的范圍內。有兩個選擇會對系統(tǒng)的成本和復雜程度產(chǎn)生最大的影響，一個是Type-C的固有功率15W，另一個是增強供電能力和視頻支持。這篇文章討論了如何實現(xiàn)一個USB Type-C端口，以及盡可能地減少它對于現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。
在電子行業(yè)中，USB Type-C存在于每一位系統(tǒng)設計人員的腦海中。這個接口將數(shù)據(jù)、電源和視頻合并在單個連接器接口中。它使得設計人員真正有機會在全新的平臺內不使用圓柱形電源插孔連接器。USB Type-C支持USB 2.0和USB 3.1，并且提供交替 (Alt) 模式選項，比如說用于視頻的DisplayPort。USB Type-C引入了15W的固有供電能力，以及在增加USB電力傳輸 (USB PD) 時，高達100W的增強型供電能力。這個接口引入了更小、更薄、并且更加穩(wěn)健耐用的插口，能夠支持高達20Gbps的數(shù)據(jù)速率。這條電纜支持雙向與兩面翻轉插拔，并且任何一個方向上均可連接一個主機或一個客戶端設備。系統(tǒng)設計人員正在思考，如何將這些可取的特性和靈活性提供給用戶。
我們先來設想一下，設計人員正在設計一個全新的筆記本平臺。如果將USB Type-C端口包含在其中的話，會使總體成本增加多少?需要多少全新的Type-C插口?它們都是全功能插口嗎?USB Type-C提供給最終用戶的靈活性和簡便易用性同時也增加了系統(tǒng)實現(xiàn)方式的復雜程度與成本。雖然全新的生態(tài)系統(tǒng)為實現(xiàn)方式提供了更多的選擇，系統(tǒng)設計人員在嘗試使用這項技術時必須謹慎，以使他們的總體成本保持在可以接受的范圍內。
那么，全新的筆記本平臺看起來是什么樣的呢?某些系統(tǒng)設計人員將會有可能選擇只包含一個全功能Type-C端口，用USB-PD提供增強型的供電能力。這個超級端口將支持Alt模式視頻。為了節(jié)約成本，降低復雜度，一個設計人員也許想用其它端口來提供簡化功能，比如說15W的固有Type-C供電功能，以及USB數(shù)據(jù)支持。
一個主要的考慮因素就是，在盡可能減少對現(xiàn)有平臺產(chǎn)生影響的情況下，用USB Type-C替代以前的USB插口。這篇文章概述了如何用最小變化將一個USB 3.0老式端口轉換為一個USB 3.1 Type-C端口。
Type-C USB 3.1實現(xiàn)方式
USB Type-C是兩端同樣的接頭——主機和客戶端設備上是一樣的插座，電纜兩端是同樣的插頭。圖1顯示的是一個USB Type-C插座引腳圖。需要注意的是，24引腳接口采用對稱的排列方式，這使得電纜的翻轉更加方便。
圖1：USB Type-C插座引腳圖(正視圖)源：Type-C技術規(guī)格
除了USB 3.1 TX，RX，和USB 2.0 D+，D-信號，2個CC引腳被用于通道配置 (CC) 和USB-PD通信。一個典型的系統(tǒng)實現(xiàn)方式是用殘樁連接將2個D+信號和2個D-信號短接，這樣就不再需要用USB 2.0復用器 (mux) 來適應插頭翻轉了。然而，出于對信號完整性的擔心，Type-C接口的每一端上都需要2:1復用器，這樣針對USB 3.1信號的殘樁連接是不可行的。如果使用Alt模式的話，需要一個USB-PD功能，而復用配置會變得更加復雜。
一個典型的USB 3.1實現(xiàn)方式包括2個基本功能：一個管理鏈路的CC控制器;一個針對RX和TX信號的USB 3.1復用器，用于根據(jù)Type-C插頭方向選擇已連接端。CC控制器需要能夠根據(jù)所需的系統(tǒng)運行方式，將自身配置為一個下行端口 (DFP)，上行端口 (UFP) 或雙用途端口 (DRP)。表1中總結了不同應用的數(shù)據(jù)/供電運行方式。
圖1：針對USB Type-C應用的器件數(shù)據(jù)/供電類別
USB Type-C的主機-客戶端實現(xiàn)方式
USB Type-C包含一個通道配置功能;這個功能能夠在DFP與UFP之間建立一個USB鏈路。在傳統(tǒng)USB端口定義中，一個DFP端口可被視為一個主機，而UFP可被認為是一個設備。CC功能用于確定以下內容：
DFP至UFP連接/斷開檢測和插頭方向
DFP至UFP(主機到設備)和供電關系(供電方/耗電方)檢測——在沒有USB-PD的缺省情況下，DFP(源)供電，UFP(灌)耗電
供電方做出的USB Type-C VBUS電流通知，耗電方進行檢測
一旦連接，供電和數(shù)據(jù)傳輸用途只能通過USB-PD進行更改
即使一個插座有2個CC引腳，CC1和CC2，一條電纜內也只連接了單條CC電線。對于每個CC引腳，DFP具有一個上拉電壓，而UFP有一個下拉電壓。監(jiān)視CC引腳上的額定電壓提供了方向和連接檢測。
圖2：通道配置上拉/下拉模型
一個DFP使用不同的電阻器上拉(或電流源)值來告知其電流提供方的供電能力?；蛘撸粋€UFP通過采用一個下拉電阻器，并執(zhí)行一個電壓比較，來檢測它的耗電量。在沒有USB-PD時，有3個電源設置是可行的——之前的缺省值(針對USB 3.1的900mA，針對USB 2.0的500mA)，VBUS上的5V電壓，1.5A和3A電流。
圖3中顯示的是USB Type-C的典型主機-客戶端 (DFP/UFP) 實現(xiàn)方式。USB 3.1主機的一個示例就是臺式機或筆記本電腦。PC中的Type-C端口與DFP類似，運行為一個USB主機，為客戶端設備供電。另一方面，一個USB SuperSpeed客戶端設備的典型示例就是便攜式硬盤。這個硬盤運行為一個USB設備，并且由VBUS供電。
圖3：USB Type-C的典型主機-客戶端 (DFP-UFP) 實現(xiàn)方式
根據(jù)Type-C技術規(guī)格，客戶端/用戶負責管理功耗。因此，一個客戶端設備需要根據(jù)主機的電流告知來動態(tài)地控制功耗。一個替代方法將流耗保持在缺省限值以內。DFP也有可能實現(xiàn)針對附件系統(tǒng)保護功能的電流限制。
如果一個DFP支持USB 3.1，它需要在USB Type-C電纜內，用VCONN 為有源電子設備提供5V電源。通過插座的CC引腳(CC1或CC2)來施加VCONN;插座不是通過電纜內的CC電線連接。相反的，它在插頭近端為電路供電。需要注意的是，每條全功能Type-C電纜都需要具有一個電子標記。此外，較長的電纜也許需要有源信號調節(jié)器。
USB Type-C的雙用途端口實現(xiàn)方式
USB Type-C還定義了一個DRP;在穩(wěn)定的連接狀態(tài)建立之前，它交替地將自己識別為DFP或UFP。如果一個DRP與DFP或UFP配對使用，它分別作為DFP或UFP運行。如果將2個DRP配對使用，結果是隨機的，但會受到2個可選功能的影響：Try.SRC和Try.SNK。如果另外一端沒有偏好的話，具有Try.SRC的DRP更有可能變成一個DFP(源)，而一個具有Try.SNK的DRP成為UFP(灌)的可能性更大。這些特性對于在生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)一個有序的供電方/耗電方關系很重要。例如，筆記本電腦應該為手機供電——即使它們二者都具有DRP功能。
圖4：USB Type-C的典型DRP實現(xiàn)方式
Type-C USB 3.1解決方案
在不進行重大的系統(tǒng)重新設計的情況下，要將現(xiàn)有的USB平臺(包含老式插口)輕松轉換為USB Type-C，需要一個CC控制器器件。為了支持USB SuperSpeed，還需要一個具有USB SuperSpeed復用功能的額外器件。
TUSB321是一個單芯片USB Type-C端口CC控制器，它可被配置為一個DFP，UFP或DRP。它是一款自主器件。實際上，借助某些預先設定的配置，它的運行不需要任何的用戶干預。不過，可選擇進行軟件干預，它能夠提供某些對設計人員有用的其它功能。
圖5：典型通道配置器件的功能方框圖
HD3SS3212是一款USB SuperSpeed無源復用器;它使用CC控制器提供的信號工程實驗室 (SEL) 信號來選擇有源USB 3.1信號，以適應Type-C翻轉插頭;針對高達10Gbps的數(shù)據(jù)速率，這個插頭支持USB 3.1 Gen 1和Gen 2。
圖6：針對SS RX/TX對選擇的復用器操作示例
某些系統(tǒng)也許需要針對USB SuperSpeed的增強信號，以符合插口的要求。一個轉接驅動復用器能夠提供信號調節(jié)與USB SuperSpeed開關的雙重功能。USB Type-C提供音頻附件特性;這一特性能夠通過Type-C插口提供頭戴式耳機和麥克風功能，從而在某些系統(tǒng)中，免除了對于3.5mm音頻端口的需要。音頻信號使用D+，D-和USB信號。要提供音頻功能，將會需要一個額外的復用器，而這不是本文的討論范圍。
總結
由于其功能性和靈活性，USB Type-C將會受到電子設備愛好者的廣泛歡迎。系統(tǒng)的開發(fā)和組件成本不會因這一巨大優(yōu)勢的存在而顯著增加。對于大多數(shù)基本實現(xiàn)方式，比如說USB和15W電壓，這個轉換是很容易的——你只需要升級插口，添加一個CC控制器，以及一個可選的USB 3.1 SS復用器。
