本文探討了USB Type-C和Power Delivery（簡稱PD）新的設計規格，并解釋與設計Type-C電子標記線纜有關的方方面面。

　　USB Type-C是最新發布的USB線纜。它是一個簡單但卻強大的互連標準，旨在增強現有的USB 3.1標準，并解決傳統USB存在的一些主要問題，其中包括：

　　● 固定的插入方向-傳統USB線纜必須正向插入。

　　● 固定的線纜方向-Type-A連接器必須連接上游設備，Type-B連接器必須連接下游設備。

　　● 較大的連接器尺寸-妨礙超薄工業設計的實現

　　圖1 USB Type-C：未來的連接器

　　USB Type-C借助以下增強特性解決上述所有問題：

　　● 可逆的插入方向：通過單線方向檢測從而允許線纜正反插。Type-C不會插錯。

　　● 可逆的線纜方向- 線纜兩端的USB Type-C連接器完全相同，因此具備無方向性特點。

　　● 插頭高度僅為2.4mm，可打造超薄工業設計，實現更高的封裝靈活性。

　　此外，USB Type-C還能輕松實現高達100W的低成本供電功能。

　　圖2 USB供電

　　USB正從一種能夠提供有限電能的數據接口演變為既可以做電源主要提供者同時也可以用作通用數據接口功能。USB供電已從USB 2.0（5V，500 mA）發展到USB 3.0（5V，900 mA），再到電池充電（BC） v1.2（5V， 1.5A），為更多日常設備提供電能。新的USB Type-C規范通過將能電流上限提至3.0Amps，將USB功率升至15W。USB供電（USB-PD）是一個全新規范，旨在通過一條線纜實現更加靈活的供電（最高 100W，20V，5A）和數據傳輸功能。其目的是允許對筆記本電腦、平板電腦和USB供電型硬盤以及類似高功率消費電子設備進行充電。某些市場制訂了基于USB接口的國內手機充電標準，其中包括歐盟和中國。這兩個規范可提升手機以外設備的標準化水平。

　　圖3 USB Type-C可減少線纜纏繞，并提高易用性

　　跑在 Type-C上的 USB-PD增加了一個通過Type-C信號的邊帶通信信道，即配置信道（CC）。CC導線既用于USB Type-C VBUS 電力級通知，也用于USB-PD協商與控制。USB-PD使用PD消息完成四個目的，包括：

　　1）數據包起點（SOP）枚舉。

　　2）VBUS 電壓與電流協商。

　　3）角色協商，三個類型的角色協商也通過USB-PD消息完成，它們包括USB數據、VBUS 電力和VCONN 電力。

　　4）Alternate Mode枚舉、協商與管理也通過USB-PD消息完成。

　　Type-C 集電力、數據和視頻于一條線纜中

　　圖4 通過Type-C傳輸電力、數據和視頻

　　Type-C接口包括：

　　● 支持DisplayPort、PCIe等alternate mode的兩組Superspeed USB線路（RX1/TX1和RX2/TX2）;

　　● 用于Alternate Mode的兩條Sideband Use（SBU）線路;

　　● 用于Hi-Speed USB 2.0的Dp和Dn線路;

　　● 用于總線供電的VBUS線路;

　　● 用于為線纜控制器供電的VCONN 線路（只位于Type-C插頭接口上）;

　　● 用于PD通信的配置信道（CC）。

　　插頭的翻轉問題

　　Type-C插座可處理線纜插頭的任意方向。USB Type-C插座完全對稱。所有的供電、接地和信號引腳兩邊對稱，從而讓USB Type-C插頭能夠在Type-C接口中任意翻轉。

　　圖5 Type-C可正反插

　　翻轉Type-C插頭時（如圖5所示）：

　　● GND、USB 2.0和VBUS 信號保持連接。USB 2.0信號被復制到Type-C插座的上下兩層，以保持任意方向的連接。

　　● 插頭上的VCONN 或CC引腳可以連接插座中的任意一個配置信道引腳-CC1或CC2 （取決于插入方向）。

　　● 兩條Superspeed線路的其中一條保持正確連接，USB Type-C 插座必須使用SuperSpeed mux合理地進行連接。

　　如何檢測插頭方向

　　USB Type-C規范解釋了上行面端口（UFP）如何利用CC引腳CC1和CC2上的下拉電阻（Rd）申報成為一個外設。下行面端口（DFP）需要在CC1和CC2上配備上拉電阻（Rp）。所構成的電阻分壓器用于確定Type-C外設是連接還是分離狀態;以及Type-C插頭的方向，因為線纜中只連接了一個CC引腳 （如圖6所示）。

　　DFP， 尤其扮演USB 數據主機的DFP，通常是指PC等主機上的端口或者設備連接的集線器上的下行端口。在其初始狀態，DFP為VBUS 和VCONN供電。UFP是指設備上的端口或者連接DFP的集線器上的上行端口。

　　Type-C電子標記線纜組件（EMCA）需要使用VCONN 向線纜內部的標記電子元件供電。這些EMCA在Type-C 插頭的VCONN 引腳上配有Ra終結電阻器。沒有電子標記的Type-C線纜不含電子元件，因此不需要VCONN 供電。這些非EMCA線纜 中的 VCONN 引腳沒有固定在Type-C插頭。

　　圖6 Type-C連接/方向檢測

　　Type-C插座CC引腳上的Rp和Rd終結電阻器能夠檢測連接事件，并識別插座中Type-C 插頭的方向。 DFP和UFP監測Type-C插座中兩個CC引腳的電壓相對于無端接電壓的電壓變化，以此監測連接事件。UFP還監測VBUS ，是檢測DFP連接的另一個指標。DFP和UFP都能從各自連接端識別Type-C插頭方向，這是因為線纜中只連接了一個CC引腳。確定連接和方向后，如果檢測到 一個Ra 終結電阻器，DFP將把另一個CC引腳更改為VCONN，以便向 USB Type-C EMCA插頭中的電子元件供電。

　　Type-C電力傳輸

　　USB Type-C規范允許通過VBUS和接地信號，從DFP 到UFP最多可以傳遞15W電能。當使用 “純Type-C”解決方案時，只能使用5V電壓傳送這15W電能。如果 您為“純Type-C”系統增加了USB PD規范，您就創建了一個“Type-C PD”系統，可將VBUS電壓提至5V以上，最高提至20V，并將VBUS電流最大升至5A。在“純Type-C”系統中，由DFP和UFP分別供電的Rp和Rd電阻器構成的分壓器決定了VBUS電源的電流上限。UFP必須檢測這個Rp/Rd 電壓分壓器電壓，并用它來決定從VBUS電源獲得的最大電流。這個Rp/Rd 電壓分壓器電壓不是靜態的;隨著充電生態系統的環境變量不斷改變，DFP可以動態改變其電流上限。UFP必須始終監測這個電壓，并遵守DFP指示的新的VBUS電流上限。

　　純Type-C”解決方案的這個行為-即“DFP指示，UFP遵守”的行為-揭示了“純Type-C”系統的一個弱點。 “純Type-C”系統中不存在協商，而Type-C PD系統可雙向協商VBUS 電壓和電流。通過向一個“純Type-C”系統增添USB-PD，從而創建一個“Type-C PD”系統，您就能夠為VBUS功率協商提供必要的靈活性。

　　實現USB-PD時，CC導線上承載的USB-PD雙相標記編碼（BMC）用于實現USB Type-C端口之間的USB-PD通信。圖7顯示了USB-PD控制器如何連接CC導線，并向其引入BMC信令。圖中只顯示了一條CC線路（通過線纜連接的線路）。

　　圖7 USB PD over Type-C

　　標記芯片如何以電子方式標記線纜組件

　　一個電子標記線纜組件（EMCA）就是一條USB Type-C線纜，它使用標記芯片向DFP提供線纜的特性。線纜標記是通過將一個USB PD控制器芯片嵌入到線纜的一端或兩端實現的 。這些標記芯片由VCONN 供電（或VBUS 供電，取決于具體設計）。VCONN是一個工作于2.7V和5.5V之間的低壓軌，但功率被限制在1W。 VBUS 可以是一個高達20V的高壓軌。雖然由VBUS 供電的標記芯片具備更大功率的優勢，但電壓較高的標記芯片也更貴。因此，大多數標記芯片由VCONN供電。

　　某些EMCA在其中一個槳片卡上配備一個標記芯片，另一些則在兩個槳片卡上分別配備一個標記芯片。如果使用了一個標記芯片，則必須在連接兩個槳片卡的線纜中增加一根VCONN 導線。此外，必須在槳片卡上進行隔離，以防止兩個VCONN同時由電壓驅動，在VCONN 導線上發生沖突。設計一個或兩個標記芯片的決定應考慮以下成本和收益：

　　● 如果線纜是一條光纜，兩個槳片卡之間沒有銅線，您必須將兩個標記芯片設計到線纜中。這樣，無論插入DFP中的是哪一端，DFP都可以與線纜通信。

　　● 如果增加一條與線纜同長的VCONN導線以及增加一個用于安全整合兩條VCONN導線的隔離電路的總成本高于增加兩個標記芯片的成本，您應該考慮增加兩個標記芯片。

　　● 有時候，為了簡化制造和庫存，在線纜中配備兩個相同的槳片卡要比配備兩個不同的槳片卡更簡單。

　　從DFP的角度而言，EMCA配備一個或兩個標記芯片沒有成本或收益問題。DFP以此只能為一個芯片供電，而且只與一個標記芯片通信。線纜控制器存儲與線纜ID和能力有關的配置數據。這些特性包括：

　　● VBUS 導線的額定電流

　　● 線纜長度

　　● EMCA的類型：被動或主動

　　● 線纜兩端連接器的類型：Type-C to Type-C、Type-C to Type-A等

　　● 線纜中控制器的數量： 一個或兩個

　　● 信令類型： USB 2.0、USB 3.1 Gen 1或USB 3.1 Gen 2

　　● 廠商ID：用于標識EMCA制造商的16位ID

　　● 用于標識EMCA產品的16位ID

　　● 對Alternate Modes（如DisplayPort、PCIe）的支持

　　● 對廠商專有協議（如廠商專有的對接協議）的支持

　　DFP必須利用USB PD或 SOP* 枚舉發現線纜的特性和UFP的功率要求。SOP是一個通配符ID，代表SOP、SOP’和SOP”。這些SOP ID可被視為Type-C多分支連接中的地址。SOP’代表距離DFP最近的EMCA標記芯片。SOP”代表距離DFP最遠的EMCA標記芯片。SOP*枚舉是建立PD聯系的第一步，電子標記只能通過USB PD BMC實現。

　　何時需要 電子標記？

　　出現以下任意情況時，Type-C線纜需要電子標記：

　　● VBUS電流需要超過3A

　　● 需要USB 3.1 Gen2或10GHz USB

　　● 需要Alternate Mode

　　EMCA的類型

　　USB Type-C 中有兩種電子標記線纜組件（EMCA）：即被動EMCA和主動EMCA。其中的主要區別是：主動EMCA為SuperSpeed USB提供信號調節功能，如轉接驅動器和重定時器功能。

　　以下是每種配置的一些例子。

　　被動EMCA：不改變USB數據信號的EMCA就是被動EMCA，可采用兩種方式設計：配備或不配備貫穿整條線纜的VCONN 導線。

　　● 每個插頭配備一個線纜控制器的被動EMCA（即每條線纜配備兩個線纜控制器）。此時， VCONN 導線不需要貫穿整條線纜（如圖8所示）。

　　圖8 每個插頭配備一個線纜控制器的被動EMCA

　　● 被動EMCA ，每條線纜只配備一個線纜控制器。此時，VCONN 導線將貫穿整條線纜。需要使用隔離元件以便于從線纜的一端的引入VCONN用于向線纜控制器供電（如圖10所示）。

　　圖9 每條線纜配備一個線纜控制器的被動EMCA

　　主動EMCA：加了一些額外器件比如信號驅動芯片等用于調節USB數據信號的EMCA。這可以實現更長的線纜或光纜。

　　很多人認為被動EMCA就是不需要電能的線纜，但是實際情況并非如此。被動和主動EMCA都需要某種形式的電能來驅動標記電路。

　　設計考量

　　本節探討設計EMCA時應該考慮的USB Type-C規范中的不同功率要求。

　　通過USB Type-C線纜提供的VBUS 電能

　　對通過USB Type-C 線纜提供的VBUS 電能的最低要求與現有USB線纜相同。EMCA可以使用VBUS -而不是VCONN -來驅動線纜電路，因為VBUS 貫穿了整條線纜。配有PD的VBUS支持更高的電壓（最高20V）。因此，任何一條含有由VBUS 供電的電子元件的USB Type-C線纜都必須能夠承受20V電壓。

　　所有VBUS引腳必須在USB Type-C插頭中互連。 全功能線纜每一端的VBUS引腳需要一個10毫微法的旁路電容器（30V的最小額定電壓）。該旁路電容器應盡量靠近電源墊。所有GND引腳必須在USB Type-C插頭中互連。

　　對VCONN的要求

　　VCONN的功能不同于VBUS，因為VCONN 與線纜另一端相互隔離。VCONN獨立于VBUS，而且與能夠使用USB PD支持更高電壓的VBUS 不同，VCONN 的固定為5V。表1顯示了所支持的VCONN 范圍，以及VCONN源應滿足的其它功率要求。

　　表1 VCONN源的特性

　　為了降低VCONN上的功率 ，DFP可以在以下任意情況發生時關閉VCONN ：

　　在一個CC引腳上檢測到有效電壓后（Rd在該引腳上），未在另一個CC引腳上檢測到Ra ;

　　完成線纜發現過程后，確定不再需要 VCONN ;

　　線纜發現消息未被線纜響應

　　EMCA必須向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個最大DC阻抗。電容器允許出現±20% 的公差，以便通過EMCA標記芯片中未經調整的片上電容器得到實現。表2列出了對EMCA中VCONN引腳上接地層的阻抗值。

　　表2 EMCA終結要求

　　如果沒有VCONN，供電線纜不應妨礙CC的正常工作，其中包括UFP檢測、電流宣稱和USB PD運行。表3列出了使用VCONN電能的線纜應滿足的要求。

　　表3 VCONN特性

　　USB掛起模式下，電子標記線纜從VCONN 獲取的電流不應超過7.5mA。

　　被動EMCA（不含數據總線信號調節電路）從VCONN 獲取的功率不應超過70 mW。

　　主動EMCA（含數據總線信號調節電路）從VCONN 獲取的功率不應超過1W。

　　VCONN供電配件

　　VCONN供電配件是一個直接附著式UFP，它實現了Alternate Mode，而且能夠只使用VCONN進行工作。VCONN供電配件向VCONN引腳上的Ra接地層提供一個最大阻抗。VCONN供電配件應能在2.7V-5.5V VCONN電壓范圍內工作。

　　其它設計考量

　　借助Type-C，一條線纜將具備多個功能，其中包括VBUS配電、USB數據和 alternate mode。alternate mode的一個常見例子是在一個或兩個USB SuperSpeed 線路上傳輸的DisplayPort。電力、數據和圖像的這種三合一打造了一個高電力、單線纜、超薄、易用的對接解決方案。為了使這條Type-C線纜同時支持Type-C和USB-PD功能，我們還需要采用其它技術。由于并非所有線纜都具備相同的能力或性能，需要一項USB-IF認證來表明某條線纜滿足規范中的所有要求。谷歌、亞馬遜等公司已公開表明，USB Type-C線纜必須通過認證，任何未經認證的線纜都會給DFP和UFP帶來安全風險。 在發起任何USB-PD供電確認之前，DFP將通過SOP*枚舉來確認線纜是否獲得了USB-IF認證。

　　與OEM線纜成品必須通過認證一樣，Type-C線纜中的標記芯片也必須通過認證。賽普拉斯半導體公司的CCG2 EZ-PD PD控制器是市場上在首個認證測試日中首款通過認證的標記芯片。

　　賽普拉斯CCG2 EZ-PD標記芯片的可編程性可讓用戶輕松編程線纜特性。因為現在不同的線纜中的標記芯片內都植入了不同的廠商自定義信息，這一點變得越來越重要。此外，當最終用戶的要求或參數發生變更時，或當USB-IF修改USB Type-C或USB-PD規范時，這個特性也是必不可少的。用戶可以使用賽普拉斯的CC引導裝載程序技術，輕松地將這些變更重新編程到線纜成品中。

　　對EMCA應用中的線纜控制器的主要應用級要求包括：

　　● 支持最新PD規范中定義的USB-PD協議;

　　● 支持BMC編碼的物理層;

　　● 支持VCONN導線上內置的Ra電阻器;

　　● 能夠使用VCONN電源向芯片供電;

　　● 支持用于實現每條線纜只配備一個線纜控制器的被動EMCA的內置隔離元件（圖10）;

　　● 支持通過斷開Ra電阻器達到節能目的;

　　● 支持CC 和VCONN 引腳上內置的系統級防護;

　　● 支持引導裝載程序，以便隨著USB Type-C和USB PD的演進，支持通過CC進行固件升級。

　　每條線纜配備一個CCG2的被動EMCA

　　在這種EMCA架構中，其中一個插頭中包含一個CCG2標記芯片。這種方法要求一條VCONN 導線貫穿整條線纜，這樣一來，無論哪一頭連接主機（DFP），芯片都能獲得供電。所需的隔離元件內置于CCG2中。有關這種方法和其它方法的詳情，請參閱：設計USB 3.1 Type-C線纜。

　　圖10 每條線纜配備一個CCG2的被動EMCA解決方案

　　圖10描述的是配備CCG2的被動EMCA，這種EMCA架構包含兩個CCG2，一個插頭包含一個。VCONN信號不貫穿整條線纜，而是終結于每個插頭的CCG2。

　　圖11 每個線纜插頭配備一個CCG2的被動EMCA解決方案

　　圖11描述的是配備CCG2的被動EMCA ，該EMCA支持PD。在線纜的兩端各嵌入一個CCG2，分別由兩端的USB Type-C端口供電。第二個CCG2的存在，使得VCONN不需要貫穿整個線纜。

　　每條線纜配備一個CCG2的主動EMCA

　　主動EMCA的主要功能是通過在數據路徑上添加一個信號驅動器提供信號調節功能。主動EMCA如需要配置/信號調節功能，可使用USB Power Delivery廠商自定義消息來尋找和枚舉線纜屬性。該方案需要從 VCONN電源獲取連續電能，因此DFP不能關閉線纜的VCONN 供電。

　　圖 12 每條線纜配備一個CCG2的主動EMCA解決方案

　　圖12描述的是配備CCG2的主動EMCA，其內嵌一個用于延長線纜長度的再驅動。

　　“設計USB 3.1 Type-C線纜”詳細闡述了制造商如何使用CCG2輕松設計被動電子標記線纜組件（EMCA）。“硬件設計指南”提供EZ-PD？ CCG2的硬件設計和PCB版圖指南。這些指南有助確保最佳的信號完整性，以及對USB Power Delivery和Type-C規范的全面遵從。賽普拉斯擁有一個廣泛的Type-C控制器產品組合（從單Type-C端口控制器EZ-PD？ CCG1、EZ-PD？ CCG2、EZ-PD？ 和CCG3到雙端口控制器EZ-PD？ CCG4），此外還提供產品手冊、開發套件、應用說明、軟件下載、示例項目、演示視頻等有用工具。