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Type-C连接器接口科普

USB Type-C已不再是全新话题,这个USB介面协议,与常见用于笔记型电脑的Type-A或Android手机的Micro-B之间最大的差异,在于USB Type-C支援正反插的设计。藉由24根脚位左上与右下对称的设计,达到正插与反插都有一半的脚位可正常动作。最简单的USB Type-C介面,支援USB 2.0(表1中的D+与D-),将高速讯号对加入,支援USB 3.1 Gen1(5Gbps)或USB 3.1 Gen2(10Gbps)的传输速度(表1中的Tx+-与Rx+-)。此外,USB Type-C可透过Power Delivery(以下简称PD)协议,将供电瓦数由原本的5V/3A向上提升至20V/5A,最新的 USB-C 接口的 USB-IF(USB 开发者论坛)在其官网上放出了全新的 USB-C 规范 2.1 修订版,更是将100W整到240W(USB-C 接口支持 240W 供电后,它会一统江湖吗?)同时,PD 2.0之后的版本加入了Alternative Mode(以下简称Alt-Mode),透过Alt-Mode可重新定义表1的脚位定义,使USB Type-C的接头除了传递资料、电源,还能传递影像资讯。

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USB Type-C可兼顾资料、电源与影像的传输,因此,我们可从数款新发售的旗舰款手机、或最新的笔记型电脑发现,越来越多装置采用USB Type-C的介面,成为一种趋势。以下文章将就USB Type-C规范,分为资料、电源与影像三个部分进行介绍分享!

USB4传输速率增至40Gbps

1、传输带宽:USB4最大是40Gbps。

2、传输协议:USB4通过隧道技术将USB 3.2,DP和PCIe协议封装成数据包,同时发送。

3、DP的传输:USB4除了可以通过DP Alt Mode(替代模式)来配置输出,还可以通过USB4隧道协议数据包来提取出DP数据。

4、PCIe的传输:USB4支持PCIe的传输,通过USB4隧道协议数据包来提取出PCIe数据。

5、TBT3的传输:USB4支持TBT3的传输,就是通过USB4隧道协议数据包来提取PCIe和DP数据。

6、Host to Host:主机和主机之间通信,USB4支持。主要是USB4支持PCIe协议才能支持这个功能。

注:隧道技术可以看作是将不同协议的数据整合到一起的技术 ,通过数据包头来区分类型。

在USB4中,DisplayPort视频、USB 3.2数据和PCIe数据是可以在同一个通道传输的,这是两者最大的差异。可以看下图来加深理解。

USB4通道可以想象成可以通行各种类型车辆的车道,USB数据,DP数据和PCIe数据想象成不同的车。同一个车道有不同的车排成队在有序行驶,USB4同一个通道传输不同类型的数据也是这个原理。USB3.2,DP和PCIe数据先汇聚在一起,通过同一个通道发送出去,到对方的设备,然后再分离出3种不同类型的数据来。

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PPS规范满足快充需求接着探讨与电源相关的PPS

过去,人们为了缩短充电速度,藉由提高充电器的输出电压,以增加进入手机的充电瓦数。然而,因为手机内的降压线路将高压降转为低压的效率不高,导致手机充电有发热情形。

为解决此问题,希望能将手机内的降压线路移除,使充电器的输出直接接到手机电池端,输出可随电池电压的变动而调整,因此有PPS的定义。

PPS如同标准固定输出的PD,定义出四种标准电压:5V(可调3~5.9V)、9V(可调3~11V)、15V(可调3~16V)、20V(可调3~21V ),在每一组可调的电压范围内,受电方可依据供电的电流状况对电源供应器作最小20mV电压步径或50mA电流步径的调整。

如果再配合芯片厂商最新开发出用于设备端不同倍数的Voltage Scaler,以3A的线材即可对电池作6A、9A或12A的大电流充电。

以USB芯片供应商威锋电子为例,该公司旗下专为充电器使用的USB Type-C PD DFP芯片VP300,本身支援PD 3.0和QC3.0协议,芯片内部整合TL431,可直接透过光耦元件反馈给一次侧AC-DC的电源控制芯片。

除针对AC-DC所设计的TL431反馈回路,VP300同时整合I2C与FB参考电压的回馈,可针对不同DC-DC的需求进行控制。内建5V LDO毋须外接电源线路,可让Vconn供应70mW的电源给E-Marker。

另外,在USB Type-C的1.3版本,新增Vconn Power Device(VPD)规范,VPD装置不仅可接受由原本的Vbus供电,也能接受由Vconn提供的最低3V电压。最低3V的目的,在于移动式装置内常放置一颗锂电池,单颗锂电池的最低放电电压一般设定在3V。

以前,透过USB接口的Vbus供电时,供电端须将电池电压透过升压线路升到5V,而受电端会将5V透过降压芯片降到3.3V或1.8V,给内部其他芯片使用,造成两边都进行电源转换而损失效能。

以前,透过USB接口的Vbus供电时,供电端须将电池电压透过升压线路升到5V,而受电端会将5V透过降压芯片降到3.3V或1.8V,给内部其他芯片使用,造成两边都进行电源转换而损失效能。

若能透过Vconn直接将电池的电压有效供应,毋需供电方或受电方放置其他的电源转换芯片,就可以大幅提升整体电源的转换效率。

至于前面所提到的E-Marker,放在两头都是USB Type-C的线材之中,就像是线材的身分证,用以存储线材的资料,其包含可负载的电流(3A或5A) 、USB速度(USB 2.0或USB 3.1)、线材的耐压等,而E-Marker所需的电源,是由供电方从Vconn之中所提供。

USB Type-C和DisplayPort,PCIE

USB PD是BMC编码的信号,而之前的USB则是FSK,所以存在不兼容,不知道目前市面上有没有能转换的产品。

USB PD是在CC pin上传输,PD有个VDM (Vendor defined message)功能,定义了装置端ID,读到支持DP或PCIe的装置,DFP就进入替代(alternate)模式。

如果DFP认到device为DP,便切换MUX/Configuration Switch,让Type-C USB3.1信号脚改为传输DP信号。AUX辅助由Type-C的SBU1,SUB2来传。HPD是检测脚,和CC差不多,所以共用。

而DP有lane0-3四组差分信号,Type-C有RX/TX1-2也是四组差分信号,所以完全替代没问题。而且在DP协议里的替代模式,可以USB信号和DP信号同时传输,RX/TX1传输USB数据,RX/TX2替换为lane0,1两组数据传输,此时可支持到4k。

如果DFP认到device为DP,便切换MUX/Configuration Switch,让Type-C USB3.1信号脚改为传输PCIe信号。同样的,PCIe使用RX/TX2和SBU1,SUB2来传输数据,RX/TX1传输USB数据。

这样的好处就是一个接口同时使用两种设备,当然了,转换线就可以做到,不用任何芯片。Type-C和PD与Emark芯片的故事

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总结我们的理解

USB Type-C终结了长期以来USB插来插去的缺陷,节省了人们大量的时间,换一次方向至少2s吧,按全球10亿人每天插拔一次USB,50%概率插错,共耗时277000多小时,约为31年,太恐怖了,一个接口搞定了音视频数据三种,体积还算小。可以预见,以后安卓机可以改为USB Type-C接口了,如果只需要USB2.0的话,只需要重做线缆,不用芯片,成本上完全可以忽略不计,至于苹果的干儿子,英特尔的亲儿子,Thunderbolt接口在TYPE C接口的定位,明天继续和大家聊。


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