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USB 供电：技术2 - USB Type-C 和角色交换

了解这项改变生活的技术：3/5

USB Type-C® 插座

为了进一步提高便利性，USB Type-C 采用垂直对称设计，使其可以在主机和设备端共同使用。因此，如图 1 所示，USB Type-C 连接器由两组12个引脚信号组成，以实现倒置插入（可翻转）。USB Type-C 插座有一条USB-PD专用的通信信号线（CC：配置通道），以及一个SBU信号，此信号是交替模式和USB4的专用低速信号通道，以及传统的USB信号。请注意，当插座组装在电路板的背面时，信号的顺序将颠倒，但这无法直观地看到。

Pin assignment for USB Type-C® receptacle

图 1： USB Type-C 插座的引脚分配

USB Type-C 线缆

如图2所示，标准 USB Type-C 线缆的两端都有 USB Type-C 插头，插头都可以插入供电或受电设备的插座（左右反向插入）。USB Type-C 中的线缆类型被定义为传统的无源线缆、解决信号衰减的有源线缆、使用光纤传输数据的光缆和混合线缆。如图3所示，可以在USB Type-C插头内安装一个称为e-Marker的半导体识别组件，以显示该线缆的功能。系统可以通过与该半导体元件通信来识别线缆类型。

Pin assignment for USB Type-C® cable

图 2：USB Type-C 线缆的引脚分配

Equivalent circuit for USB Type-C® cable

带 e-Marker 的USB Type-C 线缆

Ra 范围 800-1200 ohm

标准USB Type-C 线缆

图3：USB Type-C 线缆的等效电路

图4 总结了使用标准 USB Type-C 线缆将左侧的设备 A 和右侧的设备 B 进行物理连接时发生的情况。在四种情况下，每个设备的 CC 都通过标准 USB Type-C 线缆进行物理连接。因此，要了解设备 A 和设备 B 如何相互连接，需要一个不同于传统 USB 方法的连接序列。

USB Type-C 的连接序列

Physical connection by using USB Type-C® cable

图4： 使用 USB Type-C 线缆进行物理连接

传统的USB-A插头只能连接到主机端口或USB AC适配器端口（称为 DFP），而USB-B插头只能连接到设备端口（称为 UFP），这时主机和设备角色在连接时自动确定。另一方面，USB Type-C不仅是上述四种物理连接，而且在物理上也可以将PC连接到PC，外围设备连接到外围设备，以及AC适配器到AC适配器。因此，需要一个额外的过程来确定每个端口的角色。

这是通过观察CC1和CC2线上的电压水平来实现的。供电端指定为上拉CC，受电端指定为下拉CC，如图5所示。如图6所示，当使用USB Type-C 线缆连接供电端和受电端时，CC上形成了（vRd）的电压范围，则能判断为连接状态。通过监测供电端和受电端的CC电压，您可以检测连接并确定USB Type-C线缆如何连接到插座。

Equivalent circuit for Source and Sink based on USB Type-C®

USB Type-C 供电端

供电端要求 CC1 和 CC2 以 56k、22k 或 10k 上拉。此电阻值表示 Type-C 上的电源功率（默认，[email protected]，5V@3A）

USB Type-C 受电端

受电端 需要将 CC1 和 CC2 以5.1k下拉。

图5： 基于 USB Type-C 供电端和受电端的等效电路

Attachment detection
 
VBUSvRd (V)
Default0.25-1.5
[email protected]0.45-1.5
5V@3A0.85-2.45
 

图6： 连接检测

如果USB Type-C 线缆上没有e-Marker，则没有Ra。如果确认Ra存在，则可以识别出需要专用电源VCONN与e-Marker通信。届时，支持超过3A电流或EPR的电源，或支持USB4或交替模式的DFP，必须从CC引脚中移除Rp并提供VCONN电源。

另一方面，如果如图7所示，两个供电端相互连接，则CC引脚的电压将超出识别为连接的电压范围。在这种状态下，从安全角度考虑，两个供电源不能同时为VBUS供电，因此需要VBUS保持在 0V，直到检测到连接。此状态称为 - 冷插座 “Cold Socket”。

Connection between two sources

图7： 两个供电设备之间的连接

此外，即使如图8所示，两个受电端相互连接，CC引脚的电压电平也会超出应被视为连接的电压范围。

Connection between two sinks

图 8： 两个受电设备之间的连接

接下来，我们将总结USB Type-C的其他连接过程。

  1. 供电-至-受电 连接/分离检测
  2. 插头方向/线缆扭曲检测
  3. 初始电源方向（Source-to-Sink）检测和建立数据通信（Host-to-Device）。到止，VBUS = 0V：冷插座 以及 VCONN = 0V。
  4. 检测线缆是否需要 VCONN 并供应 VCONN
    尽管 VBUS 可以提供 5V，但受电端不会耗电。如果线缆确实需要 VCONN，VCONN 供电必须为线缆提供 3-5V（5V 用于 ThunderBolt3 Active 线缆兼容性）。
  5. USB Type-C VBUS 电流检测
    当 CC 电压 = vRd（识别电压范围）和 VBUS = 5V 时，sink 检测为连接。 不支持 USB PD 的 USB Type-C 上的电源功率定义为“默认”、[email protected] 和 [email protected]，而 sink可以从监测 CC 电压电平识别出供电提供的功率。因此，在运行过程中将消耗最大此提供的功率。“默认”对于 USB2.0 为 5V@500mA，对于 USB3.1 的单通道为 5V@900mA。

在这些过程之后，通过使用 USB PD 通信（如 Discovery 和 Configuration）, 数据通道以及电源供应已被配置。

在 USB 端口上定义的角色

接下来，我们将解释 USB 端口上定义的角色，包括传统的 USB-A 和 USB-B 连接器。如表1 所示，USB端口定义了两个角色：数据和电源。

定义了三个数据角色：DFP 和 UFP，双角色数据 （DRD），它允许在DFP和UFP之间切换。 DRD 相当于OTG（USB On The Go）。同样，定义了三个电源角色：仅供电Source-Only、仅受电Sink-Only 和 双电源角色Dual Role Power （DRP），它们可以在供电和受电之间切换。

DRP在供电模式（CC 线上的上拉电阻）和受电模式（CC 线上的下拉电阻）之间切换，并自动向对面设备指示支持的角色，直到连接。在这种情况下，最初无法确定产品是供电或是受电设备。因此，当连接时，存在称为Try.SRC和Try.SNK的DRP，用于在电源角色（供电或受电）之前。供电（默认）DRP在连接时成为供电端，连接后，它将能够将角色更改为受电端。受电（默认）DRP与供电（默认）DRP具有相同的功能。

表 1：在 USB 中定义角色
类别角色名称描述
数据・角色DFP端口具有 USB-A 连接器的作用
UFP端口具有 USB-B 连接器的作用
DRD可用作 DFP/UFP 的端口
电源・角色供电 （Source）电源供电端口
受电 （Sink）电力消费端口
DRP可用作 供电/受电的端口。切换 （供电/受电）
Try.SRC （DRP）连接时尝试尽可能成为Source-DFP 的DRP
Try.SNK （DRP）连接时尝试尽可能成为Sink-UFP 的DRP
Source （默认）连接时无需切换即可成为源，但可以进行电源角色转换
Sink （默认）连接时无需切换即可成为受电，但可以进行电源角色转换

由于 USB 在单个连接器上实现数据通信和电力传输，因此有必要在数据和电源方面定义USB连接器的作用。 如表2所示，数据角色和电源角色的组合被定义为强制性要求，即供电端为DFP，受电端为UFP，以保持与USB-A和USB-B连接器的兼容性。USB数据通信被定义为一个选项，因为USB AC适配器不一定需要数据通信。

表 2：数据角色和增强角色的组合
USB Type-C 端口上的角色数据角色设置UFP 功能DFP 功能
DFPUFPUSB 设备USB 主机
电源角色设置供电强制选择选择选择
受电选择强制选择选择
DRP强制强制选择选择

USB 产品有哪些类型，它们扮演什么角色？

接下来，我们来看看每个角色组合在什么样的产品中使用。

供电/DFP 角色是PC中USB-A连接器的角色，它提供电源。因此，具有源/DFP角色的典型USB Type-C 设备是AC 适配器。另一方面，受电/UFP角色是外围设备中USB-B连接器的角色，它使用USB提供的电源。具有受电/UFP 角色的USB Type-C设备是外围设备，例如耳机，它们需要USB的电源来运行。许多 USB Type-C设备（如PC和智能手机）具有DRP/DRD角色。我们可以看到，智能手机、PC 扩展坞和USB集线器使用Try.SNK（DRP）/DRD角色，而笔记本电脑、移动电源甚至台式PC都使用Try.SRC（DRD）/DRD 角色。

笔记本电脑连接到扩展坞，电源从扩展坞反转到PC，同时保持从PC到扩展坞的数据通信方向，这在表2中定义为选项。在这种情况下，坞站成为供电UFP（称为供电设备），而笔记本电脑成为称为下沉主机的受电DFP。这些角色的组合不能仅使用正常的连接序列来实现，而是使用角色转换Role Swap来实现，这将在后面介绍。

以下部分介绍了什么角色将决定何时连接DRP设备。如图9所示，当移动电源连接AC适配器时，由于AC适配器具有供电/DFP角色，因此Try.SRC（DRP）/DRD移动电源不能成为供电端，而是被确定为受电/UFP角色。此外，当同一个移动电源连接到Try.SNK（DRP）/DRD智能手机时，移动电源将成为供电/DFP，而智能手机将成为受电/UFP。

Example of role status for each device after connection

图 9： 连接后每个设备的角色状态示例

关于角色交换(Role Swap)

本说明的最后一部分是“角色交换”。“角色交换”是指交换USB端口的角色。USB Type-C 上的信号有三类发挥作用：数据线、VBUS/GND 线和线缆上e-Marker的电源VCONN。可以交换相反设备和自身的这三个角色。如前所述，除了快速角色交换（FRS）之外，规范还定义了以下三种角色交换：数据角色交换、电源角色交换和 VCONN 角色交换。

USB 端口根据数据角色和电源角色进行角色定义。数据角色交换仅将自己的数据角色（DFP 或 UFP）与其对面设备（UFP 到 DFP）交换。数据角色交换不会改变 VBUS/GND 线路和 VCONN供电给e-Marker线路。同样，电源角色交换只允许将自己的电源角色（供电或受电）与连接的设备（受电或供电）交换。同样，电源角色交换确保数据线和VCONN线的状态不会改变。

当DRD/DRP设备相互连接时，最初无法确定产品是供电端还是受电端。因此，当笔记本电脑连接到扩展坞（如图10所示）时，通过使用数据角色交换或电源角色交换，从PC的电源反向到扩展坞的PC，同时保持来自PC的数据通信方向。

Power Role Swap and Data Role Swap

图 10：电源角色交换和数据角色交换

VCONN 角色交换用于切换向线缆供电的设备。只有为线缆提供VCONN 的设备才允许与e-Marker通信。例如，当以交替模式或USB4通信时，当DFP端口不提供VCONN给线缆，而DFP端口需要与e-Marker 通信时，DFP端口应在访问 e-Marker 之前使用VCONN 角色交换向线缆提供VCONN。

角色交换通过USB PD通信执行。

在下一节程中，我们将探讨USB PD中的安全技术。

单元列表

  1. USB 供电 （1） 提高 USB 充电的便利性
  2. USB 供电 （2） 技术 1 - 便利性和安全性
  3. USB 供电 （3） 技术 2 - USB Type-C 和角色交换
  4. USB 供电 （4） USB PD 安全实施
  5. USB 供电 （5） 使用瑞萨解决方案加快开发速度