使用FPGA实现灵活的USB Type-C接口控制

新的设计中，需要设计工程师进行系统芯片开发来增加新的功能，因为无论是现有系统中的PHY、MCU还是应用处理器(Application Processor, AP)都不支持USB Type-C接口的多项关键功能。这些必需的功能块包含电缆侦测(Cable Detect, CD)、超速切换控制、供电(Power Delivery, PD)协商以及供应商自定义消息(Vendor-Defined Messaging, VDM)。

挑战1：提供USB Type-C接口电缆侦测和供电的PHY功能。USB Type-C接口添加了大量绝大多数USB Type-C设备都需要的PHY层功能。大多数USB Type-C设备需要电缆侦测功能，用于判断它们连接到的是DFP还是UFP以及电缆的方向。该机制通过在CC1和CC2通道上加上拉和下拉电阻，要实现CD功能，设备必须要能够测得这些上拉和下拉电阻上的各种电压值。任何CD解决方案都需要能够测量这些模拟电压。

如果想要充分利用供电通讯来协商获得更高功率、切换端口功能或使用VDM，就必须实现PD PHY层。PD通信使用一条CC通道，由USB 供电规范定义。它采用半双工通信机制，使用双相标记编码(Bi-phase Mark Coding, BMC)传输4b5b编码的数据，可简化接收器设计。BMC可被认为是一种曼彻斯特(Manchester)编码。此外，数据使用循环冗余校验(Cyclic Redundancy Checking, CRC)算法来防止数据错误。

尽管使用通用微控制器能够实现PD PHY，但是对于要求低功耗的解决方案来说，使用基于逻辑单元的器件更加合适。

挑战2：在没有主系统处理器的情况下实现供电协商功能。如果想要让UFP能够利用USB Type-C提供的更高功率供电，这就要发起一个供电协议申请，DFP同意该供电申请或者给出它所能提供的供电功率。一旦协商成功，供电协议也就相应地成立。在很多情况下，没有系统处理器来实现上述功能。首先在某些情况下，如智能充电器并不包含系统处理器。其次，可能需要在电池没电的情况下进行供电协议协商来实现快速充电。还有，在某些情况下(如为笔记本和智能手机同时供电时)，最好让主处理器处于休眠模式。

虽然有很多方式可实现这种协商功能，但使用尺寸极小、功耗极低的方案将功能集成到现有的芯片中是最理想的选择。

挑战3：支持结构化和非结构化的供应商自定义消息。正如上文提到的，结构化的供应商自定义消息能够用于协商使用诸多标准化的可选模式，以扩展USB Type-C的功能。设计人员需要同时实现USB PD规范中定义模式的协商以及控制高速切换的功能，用于给USB连接器内的数据对传输合适的信号。非结构化的供应商自定义消息允许制造商实现非标准化的功能。这可能包含使用闲置的信号通道来实现一些客制化的功能，如底座和固定在底座上的设备间的GPIO聚合或者为挑战与应答验证机制传输数据。设计人员必须实现通讯功能以及所需的处理、切换控制以及其他硬件。

同样地，有很多方式可以实现与VDM相关的协商和控制机制。但是，真正的挑战在于怎样通过集成来实现成本最低、尺寸最小的目标。

5 应用实例

本文的最后一部分提供相关实例来说明如何使用FPGA技术快速实现USB Type-C接口，并且充分利用该标准所提供的诸多优势。通过集成的方式提供小尺寸，基于逻辑的设计，可获得极低的功耗以及很大的灵活性，可按需进行更改。

实例1：基于FPGA的PD功能，适用于智能充电器由于USB Type-C接口最早出现在平板电脑、智能手机和其他移动设备上，它们要求充电器能够充分利用PD协商功能为充电设备提供所需电压和电流，并协商供电协议(Power Contract)来最大程度满足设备的需求。一旦供电协议建立，PD必须将电压和电流要求传输至充电器内部的电源管理集成电路(Power Management Integrated Circuit, PMIC)以获得协议规定的电流和电压。

值得关注的一点是，设计中必须包含电缆侦测功能以选择正确的CC线路，用于PD通讯。不过由于充电器和电源不用访问USB的高速或超速数据流，所以不需要包含用于这些信号通道的切换控制逻辑。

莱迪思凭借自身领先的FPGA技术将CD、PD PHY和PD协议协商功能集成到单个器件中，并采用便于量产的QFN封装。灵活的I/O技术可用于实现所需的模拟功能。基于逻辑的编码、解码和CRC功能可实现低功耗的BMC通讯。使用逻辑和嵌入式处理器实现的PD管理功能够获得最优的低功耗和低成本解决方案。此外，非结构化的VDM可被传输至嵌入式处理器用于实现诸如验证等功能。

实例2：基于PFGA适用于移动设备的“CD/PD-Lite”功能

针对将USB Type-C接口作为主要I/O和供电连接的智能手机、平板电脑和其他移动设备，图4展示的“CD/PD Lite”解决方案提供CD和PD PHY功能，低成本的2.5x2.5m