USB-C可选模式应用

USB-C简介

USB-C即USB Type-C型接口，是USB协会最新推出的接口，相比传统USB接口，USB-C具有结构纤细、支持正反插、高电力传输、支持可选模式(DisplayPort/Thunderbolt等)输出的突出优质特性，其尺寸比较如图1所示。



图1 高集成度的USB-C接口

USB-C的高集成度特性使得用户可以在同一条线缆上传输数据、视频、电力，精简了设备使用的复杂度，使电子设备更加美观精致，因此在消费类电子市场中备受大家关注。

USB-PD协议是在USB-C接口上运行的通信协议，与传统USB协议不同，USB-PD协议通常不用于数据传输，只是进行USB-C接口的属性设置。简单来说，USB-C是接口，USB-PD则用于建立包括供电能力，可选模式等的具体数据和供电属性。

什么是USB-C的可选模式

可选模式是USB-C除了传统的USB数据传输以外额外支持的模式——比如图像数据(DisplayPort)或者是雷电(Thunderbolt)等。USB协会为每一个标准的可选模式颁发一个唯一的16bit的USB标准编码(SID)，用于主从设备之间可选模式支持与否的沟通。

以DisplayPort以例进行说明，DisplayPort(简称DP)是视频电子标准协会(VESA)推出的数字式视频接口标准，获得了第一个可选模式的标准编码(0xFF01)。

USB数据和DP可选模式的数据是可以同时传输的，两种不同的数据将USB-C的四对高速差分信号线分割成两组，分别传输不同数据，互不干扰。USBC还为可选模式提供了两条作为补充的信号线Sideband Use (SBU)，它们的作用是传输低速的数据或者配置信息，在DP模式中就被用于传递辅助通道(AUX)信号。(例如DP中的EDID等显示器信息)

如何进入USB-C的可选模式

在USB-C中提出了一个新的USB类——Billboard (USB2.0 设备)，它的作用是当设备进入可选模式失败或者发生未知错误的时候枚举出来，主机由此获取可选模式的状态。如果在支持可选模式的外设中没有集成Billboard，造成的最大影响就是主机无法有效知悉设备的运行状态。因此，如果客户产品需要支持可选模式，那么必须在外设端增加Billboard设备。

进入USB-C可选模式的必要条件：

1. 主机支持USB Type-C，USB-PD(Power Delivery)协议。

2. 主机支持某些可选模式。

3. 外设支持USB-PD协议。

4. 外设支持相对应的可选模式。

外设与主机连接初始状态为USB模式，之后会出现几种不同情况，下文将进行逐步分析：

1. 假如主机不支持USB-PD协议，在一定等待时间后，外设将枚举Billboard设备通知电脑进入可选模式失败，如图2所示。

2. 电脑支持USB-PD协议，却不支持外设所选择的可选模式，外设将枚举Billboard设备通知电脑进入可选模式失败，如图2。需要注意，目前Windows10系统支持Billboard设备类，Windows8系统需要安装相应的补丁才能支持。



图2进入可选模式失败

3. 电脑既支持USB-PD协议，也支持外设的可选模式时，会按照以下流程进入可选模式[1]:

a) 电脑发送“发现实体”(Discover Identity)的命令。

外设响应该命令并声明是一个支持可选模式的适配器Alternate Mode Adapter (AMA)。

b) 电脑发送“发现标准厂商编码”(Discover SVIDs)的命令，用于获取外设所支持的所有可选模式。

外设响应该命令并报告所支持的可选模式类型(如DP模式为0xFF01)。

c) 电脑发送“发现支持的子模式”(Discover Modes)命令用于获取外设在某一标准厂商编码下所支持的子模式。

外设响应该命令并报告所支持的所有子模式。

d) 电脑根据外设的设置及电脑的限制选择进入相应的模式(Enter Mode)。

外设收到该命令后回应ACK，退出USB模式，并进入相应可选模式。

电脑收到该响应后，退出USB模式，并进入相应可选模式。

这一流程可以用图3概括。



图3 USB-C电脑/设备进入可选模式流程

根据USB-C的特性，可以做成形态各异的支持可选模式的扩展设备，如图4



图4 USBC接口扩展器

赛普拉斯高集成度的USB-C PD控制器方案

赛普拉斯(Cypress Semiconductor Corp.)从2014年推出世界首款可编程的USB-PD控制器以来到现在已经迭代四代产品，其中具有代表性的高集成度产品是EZ-PD CCG3系列USB-PD控制器。



图5 CCG3功能框图

CCG3集成了一个Contex-M0 内核， 一个USB-PD控制器，一个Billboard，以及丰富的模拟/数字资源。集成了硬件加密内核，可以完整支持PD3.0功能。CCG3使用内部USB Full-Speed内核实现Billboard功能，兼具USB在线升级固件功能，方便产品的更新[2]。

CCG3的供电电压范围为2.7~21.5V，可以直接使用USB-C中的VBUS电压。

CCG3集成的开关可以用于控制SBU信号与DP的AUX信号的通断，这极大简化了USB-C转DP适配器的设计。

以DP模式设计为例，根据CCG3的特性，USB-C转DP可选模式适配器的逻辑框图如下[3],[4]：



图6 USB-C转DP的CCG3方案框图

采用CCG3的DP转换适配器外围电路极其简化，该单芯片方案仅需要有限的电阻电容即可正常工作。