USB Type-C Docking (擴展塢) 設(shè)計
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USB Type-C型接口，由USB-IF組織制定，早在2014年就得到了包括蘋果，谷歌，英特爾等廠商認可，相繼在2015年推出相關(guān)產(chǎn)品。相比各類USB傳統(tǒng)接口，USB Type-C具有小尺寸、高集成度、使用方便的優(yōu)秀特性。也即USB Type-C 接口集數(shù)據(jù)傳輸，供電，和視頻為一體。圖1簡略描述了USB Type-C的部分特性。
圖1 高集成度的USB Type-C接口
USB Type-C接口具有以下特性：
1. 延續(xù)USB即插即用的便利優(yōu)勢。
2. 物理接口十分小且薄，并支持正反插。
3. 支持USB3.1 Gen2(10Gbps)。
4. 同時支持DisplayPort數(shù)據(jù)輸出(也可以支持雷電，HDMI數(shù)據(jù)輸出)。
5. 支持高達20V 5A最大100W的標準電能傳輸。
上面提到的100W標準電能傳輸，是在USB PD(Power Delivery) 協(xié)議規(guī)范中定義的，標準輸出能力。 它是一種協(xié)商供電協(xié)議，非常靈活也非常智能。USB PD協(xié)議也允許設(shè)計者使用廠商自定義命令即VDM(Vendor Defined Messages)傳輸更大電能或者其他客戶需要的特殊的功能。綜上所述，USB Type-C具備強大的功能和靈活性，為產(chǎn)品設(shè)計者各種創(chuàng)意提供了無限可能。
圖2 Apple Macbook上的USB Type-C接口
USB Type-C典型特點是支持正反插，避免過去USB口繁復的方向?qū)蕟栴}，給用戶帶來極大的便利性。這一功能的實現(xiàn)和接口物理信號的定義有直接關(guān)系，圖3是USB Type-C的接口信號示意圖
圖3 USB Type-C插座(上圖)插頭(下圖)
完整的USB Type-C接口(插座)具有24個信號引腳，可以看到這些信號引腳的功能性呈180゜旋轉(zhuǎn)中心對稱的關(guān)系排列，在接口物理結(jié)構(gòu)上支持了USB Type-C正反插。
USB Type-C及協(xié)商供電 USB PD (Power Delivery)基本知識
在USB Type-C中對數(shù)據(jù)和供電定義了3種角色，分別是DRP(Dual-Role-Port雙向接口), DFP(Downstream Facing Port數(shù)據(jù)下行接口), UFP(Upstream Facing Port數(shù)據(jù)上行接口)，同時還保留了Power Source/ Sink 的概念。
USB Type-C將數(shù)據(jù)角色和供電角色進行了分離，意味著一個端口數(shù)據(jù)和供電的方向可以相同也可以相反。 USB PD協(xié)議讓端口的兩種身份(數(shù)據(jù)和供電)可以自由組合，即一個端口可以是數(shù)據(jù)的主機，電源上卻做受電角色. 而傳統(tǒng)的USB, 數(shù)據(jù)和供電的身份是綁定的。這樣給應用帶來很大的靈活性。擴展塢設(shè)計就充分利用這種特性，就數(shù)據(jù)而言，針對于主機，它是從設(shè)備，而電源方面，它卻要扮演源端(source), 為主機提供電源。USB PD協(xié)議中，數(shù)據(jù)和電源身份是可以動態(tài)依照情況而改變的，不是一層不變的。
USB Type-C為了區(qū)分DFP與UFP的初始狀態(tài)，使用了上(Rp)下(Rd)拉的電阻模型，如圖4。
圖4 DFP和UFP的上下拉電阻模型
DFP通過監(jiān)控CC (Configuration Channel)上的電壓來確認是否有正確的連接，然后打開Vbus和Vconn給設(shè)備和線纜供電，如果是插座設(shè)計，DFP和UFP都需要根據(jù)CC1/CC2上不同的分壓值確定設(shè)備插入的方向，切換內(nèi)部開關(guān)將多組數(shù)據(jù)線以正確的順序傳輸或者獲取數(shù)據(jù)。
CC信號線上進行Rp-Rd配對，這決定了DFP 和UFP角色。
Vconn信號線上進行Rp-Ra配對，作用是給帶E-marker的cable供電，并讀取cable支持的速度和能承載的最大電流等線材相關(guān)信息。
圖5 DFP和UFP建立連接時幾種可能的連接模型
圖5展示了DFP和UFP的正反連接的四種模型，不論用戶如何插拔，兩端的設(shè)備都是根據(jù)CC1/CC2上的分壓進行方向識別的。上一節(jié)中圖3定義了USB Type-C插頭和插座的信號順序，在正插和反插的情況下，插頭和插座的匹配如下圖6所示。
圖6中最上面一個是正面朝上的插頭信號圖，中間是正面朝上的插座信號圖，最下面一幅是正面朝下的插頭信號圖，該圖示按翻轉(zhuǎn)的方式插入，那么箭頭指示了一個引腳配對的位置，據(jù)此可以看出其他引腳配對的位置了。注意插頭和插座的區(qū)別---插頭中間有2個空引腳。
圖6 DFP和UFP連接時信號匹配
上面講述了DFP和UFP角色的功能，USB Type-C中還有一個特殊的雙角色端口(DRP)，顧名思義，DRP是雙向角色，也就是說一個DRP設(shè)備既能實現(xiàn)DFP功能，也能實現(xiàn)UFP功能，那么在DRP設(shè)備內(nèi)是同時集成了Rp和Rd的，在CC通道上DRP設(shè)備分時連接Rp或者Rd，不會同時將它們連接在CC上。通常一個DRP, 內(nèi)部的Rd 和Rp是通過一個開關(guān)來選定的，這樣保證端口在同一時刻不會既是DFP 又是UFP。
USB Type-C是物理接口，要實現(xiàn)更多功能則需要在接口上實現(xiàn)USB PD協(xié)議，USB PD協(xié)議在USB Type-C的CC通道上實現(xiàn)，是一種主從單線通訊協(xié)議，采用BMC編碼，CC通道上并不負責高速數(shù)據(jù)的傳輸，而是實現(xiàn)控制及產(chǎn)品基本信息的交互。
很多設(shè)計者都有個誤區(qū)，認為USB PD只是供電的相關(guān)協(xié)議，實際上，USB PD是USB Type-C的靈魂所在。 比如要實現(xiàn)角色的切換，必須用到USB PD, 又比如要實現(xiàn)包括視頻等高速數(shù)據(jù)傳輸，也必須用到USB PD協(xié)議，通過協(xié)議中的VDM消息才能建立包括DisplayPort等的各種可選模式(Alt Mode)連接，從而實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸，關(guān)于USB Type-C可選模式設(shè)計的基本知識，請參考賽普拉斯相關(guān)網(wǎng)頁
http://www.cypress.com/documentation/reference-designs/ez-pd-ccg3-usb-type-c-displayport-cable-solution
Dock 基本概念的介紹：
Dock，又叫做擴展塢，這類產(chǎn)品的流行是因為筆記本電腦的USB或者視頻等接口數(shù)量有限， 用戶希望擴展出更多數(shù)量的或者更多種類的接口，來滿足多元應用需求。由于筆記本接口輸出功率的限制，擴展塢通常需要通過自己的電源適配器供電。
USB Type-C接口的出現(xiàn)進一步擴展了Dock的應用場景以及功能性。本文所指的Dock是：本身具有電源調(diào)節(jié)能力的擴展塢，區(qū)別于目前市面上本身不具有調(diào)壓能力的可充電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品(如：蘋果推出的 1轉(zhuǎn)3 轉(zhuǎn)換器)。
圖7為傳統(tǒng)Dock產(chǎn)品示意圖，這種Dock的體積和重量都決定了它不便于攜帶，市場上各個品牌廠商的Dock通常也都不能通用，USB Type-C的出現(xiàn)賦予了Dock多元的設(shè)計要素，具體表現(xiàn)如下：(產(chǎn)品示意圖如圖8所示)
1. 接口簡單，上行接口只需要一個USB Type-C口，不需要與筆記本的總線進行復雜的線纜連接;
2. 一口多用，在傳輸數(shù)據(jù)的同時可以給筆記本充電，并且播放筆記本中的視頻;
3. 兼容廣泛，USB Type-C Dock都遵從標準USB PD協(xié)議，不同品牌的USB Type-C電腦和USB Type-C Dock理論上可以互相兼容;
4. 適配各類USB Type-C 主機，USB Type-C Dock不僅僅只能搭配筆記本電腦，同時也能用在平板電腦和手機上;
5. 體積超小，可以隨身攜帶。
(注：圖示只是示意圖)
圖7 傳統(tǒng)Dock
圖8 USB Type-C Dock
USB Type-C Dock Station的設(shè)計
1. Docking中電源設(shè)計注意事項：
如上文所述在做Dock設(shè)計時，需要設(shè)計Dock給手機或筆記本充電的能力，在USB PD協(xié)議中要求電源輸出設(shè)計在功率足夠的情況下至少遵從以下規(guī)則：
圖9 標準PD電源輸出規(guī)則
圖9的含義是，在輸出功率大于15W/27W/45W的情況下，輸出的電源能力(PDO)一定要包含9V、15V及20V，例如，Dock的輸出能力為30W,則PDO應至少包含5V@3A，9V@3A和15V@2A，其他電壓值都是可選的，不做強制規(guī)定，USB PD協(xié)議的這個規(guī)定是為了提高不同廠商產(chǎn)品的兼容性，增強USB Type-C的通用性。
2. Cypress的Dock解決方案簡介
圖10是Dock類設(shè)計的簡略結(jié)構(gòu)框圖，Dock采用直流接口供電，具有一個連接筆記本/平板或手機的上位USB Type-C接口，一個作為DFP輸出USB數(shù)據(jù)及電源的下位USB Type-C接口，兩個圖形輸出接口，一個網(wǎng)口，一個音頻接口，兩個USB3.0和USB2.0接口，所用到的芯片主要有DP Splitter(也可以用DP Switch降低成本)， DP-HDMI轉(zhuǎn)換芯片，DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，HUB芯片，數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換芯片和USB PD芯片，下面著重介紹一下USB PD芯片。
圖10是Dock簡略框圖
Cypress EZ-PD CCG4/4M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)概圖如圖11，該芯片以一個ARM Cortex M0內(nèi)核作為主控集成了通用微處理器的外圍組件，集成了USB PD3.0的解碼器及USB Type-C的相關(guān)外圍組件，具備128KB片上Flash，8KB SRAM，因此既可以作為PD3.0的協(xié)議控制器，也能做通用處理器處理系統(tǒng)事務。Dock設(shè)計中推薦使用CCG4產(chǎn)品主要是因為該系列產(chǎn)品廣泛應用于各大OEM廠商的筆記本及復雜USB Type-C Dock擴展器設(shè)計中，具有良好的兼容性，和成熟的SDK(軟件開發(fā)包)，SDK擴展性良好，設(shè)計工程師易于開發(fā)[1]。
CCG4作為USB Type-C DRP角色工作[2]，在Dock中主要負責的功能：
1. 處理USB Type-C事務，例如作為雙向角色DRP處理接口拔插，正反插事務。
2. 處理USB PD3.0協(xié)議事務，例如電源事件處理，ALT MODE事件響應等。
3. 根據(jù)USB PD事件控制電源模塊-----包括輸出功率控制，模塊電源開斷，系統(tǒng)電源控制等。
4. 根據(jù)ALT MODE事件切換Video模塊工作模式(例如2/4 Lane 切換，監(jiān)控顯示器插入信號)，并響應USB Billboard事件。
5. 其他板級事件----例如LED控制，按鍵控制等。
圖11 Cypress CCG4/4M的結(jié)構(gòu)概圖
DMC(全稱Dock Management Controller)推薦使用Cypress的CY7C65219，DMC最主要的功能[3]是
1. 作為USB Billboard通知主機ALT MODE狀態(tài)事件
2. 作為在線升級控制器處理USB事務，接收數(shù)據(jù)包，并通過I2C或其他板上接口對其他芯片升級。
3. 作為EC(全稱Embedded Controller)對PD控制器或其他芯片進行任務協(xié)調(diào)和擴展。
HUB推薦使用Cypress USB3.1 Gen1的HX3系列(CYUSB3314)可以單獨使能每個下行口的BC1.2，DCP，Apple Charging，Ghost Charging等功能，它具備Shared Link功能， 在嵌入式設(shè)計時，能將下行口的USB3.0的Super Speed信號和High Speed信號拆分成兩組獨立使用[4]。另外USB2.0 HUB的HX2VL系列具有外圍簡單性能穩(wěn)定和低功耗的優(yōu)勢[5]，也是業(yè)界較受認可的選擇。
電源控制芯片可以考慮ON-SEMI采用I2C控制的寬范圍輸入輸出開關(guān)電源，有利于減少IO占用。MUX和DP轉(zhuǎn)HDMI轉(zhuǎn)換器可以考慮Diode(Pericom)或者Parade。
3. Dock方案中的在線升級功能---提升終端客戶體驗
在廠商開發(fā)自己的產(chǎn)品過程中，如何保證產(chǎn)品的高質(zhì)量：
1. 量產(chǎn)前合理的測試方案(可根據(jù)系統(tǒng)廠商原有經(jīng)驗實施);
2. 保證產(chǎn)品靈活的接口特性(增加在線升級功能)
Cypress目前有成熟的Dock在線升級方案，圖12展示了Dock在線升級的拓撲結(jié)構(gòu)，DMC通過USB2.0接收主機端升級命令和數(shù)據(jù)，再通過I2C或者其他板級通信協(xié)議中轉(zhuǎn)到各外部芯片上進行升級。
圖12 Dock在線升級的拓撲結(jié)構(gòu)
DMC主要具備兩個USB接口，一個是USB Billboard類，主要用于標準USB Billboard事務處理。一個是WINUSB類，這種設(shè)備類在WIN10上有預裝的驅(qū)動程序，可以免去使用者使用麻煩，更重要的是在Windows移動終端操作系統(tǒng)上也支持這種設(shè)備類，使得Dock無論在搭配筆記本電腦還是手機平板都能實現(xiàn)功能升級，同時DMC將使用USB控制端點傳輸命令，再通過批量端點傳送各芯片固件的二進制文件。該Dock方案中在升級軟件與DMC建立鏈接后，所有升級動作由DMC主動發(fā)起，所以在不同Dock應用中是可以使用相同的系統(tǒng)端升級軟件的，并且由于CY7C65219 集成了加解密IP，在特殊應用中也可以通過DMC發(fā)起密匙配對識別升級來源是否是安全的。
值得注意的是在DMC升級系統(tǒng)部件的過程中，可能某些部件會有主動操作I2C總線的行為，這是需要設(shè)計者考慮進去的，這種情況建議設(shè)計師建立兩顆芯片間操作總線的互斥原則，并在FW中做相應設(shè)置。
4. Dock解決方案中的固件流程
Dock的解決方案中會涉及大量芯片與芯片之間的溝通，例如：USB PD芯片需要根據(jù)USB PD 溝通的信息進行調(diào)整電壓，涉及與DC-DC電源之間的溝通; USB PD芯片需要識別正反插，涉及與MUX之間的溝通等等。
系統(tǒng)I2C的基本控制拓撲結(jié)構(gòu)可簡化為圖13.
圖13 Dock的I2C控制拓撲結(jié)構(gòu)
Dock中CCG4會通過I2C控制大部分外圍芯片，主要是實現(xiàn)前文提到的電源控制，上下行USB Type-C口的正反插控制，視頻部分的控制，圖14的流程圖說明了在USB PD軟件開發(fā)時的流程。
圖14 CCG4 USB PD控制器軟件流程圖
CCG4已經(jīng)完成了全部USB Type-C及USB PD的功能，流程圖中重點突出了應用層需要完成的工作，基本上流程中所需要處理的事件都是CCG4 SDK會通報出的協(xié)議棧事件[6]，開發(fā)者可以將更多精力放在功能應用層面，為用戶提供創(chuàng)新實用的Dock產(chǎn)品。
圖15 Cypress DMC軟件流程圖
圖15揭示了Cypress DMC的軟件流程圖，實際上這些事務在DMC的架構(gòu)中已經(jīng)構(gòu)建并充分驗證，開發(fā)者不需要做更改即可使用，在Dock設(shè)計中，為了增強事務處理的實時性，建議盡量在CCG4中做事件處理。
5. Dock解決方案中的軟件開發(fā)
本文中擴展塢推薦采用的Cypress系列PD控制器設(shè)計，他們推出了成熟的配套軟件開發(fā)包(SDK)， 開發(fā)者可以免費使用軟件開發(fā)包完成個性化的功能設(shè)計，圖16是Cypress CCGx 軟件開發(fā)包界面， 該開發(fā)軟件采用模塊化的方式調(diào)用內(nèi)部資源(比如I2C,PWM等)，并自動生成相應API供開發(fā)者使用，并能像FPGA一樣調(diào)整IO順序，使開發(fā)者上手容易[7]。
CCGx的軟件開發(fā)包將Type-C和USB PD的協(xié)議棧封裝成了庫，提供出API接口供使用者調(diào)用，除了部分特定功能的IO外，其他的GPIO及內(nèi)部資源可以當成通用的MCU使用，使芯片性能在系統(tǒng)中可以充分利用。
圖16 Cypress CCGx 軟件開發(fā)包界面
6. Dock解決方案中的注意事項
電腦擴展塢是一個比較復雜的封閉系統(tǒng)，因為擴展塢通常具有多種不同外部接口，對應的在設(shè)計中對系統(tǒng)有一些注意事項：
3. 電源的分配，比如供電電源能力的計算，對每個模塊及接口電源的分配需要匹配
4. 對數(shù)據(jù)帶寬的分配
5. 對系統(tǒng)休眠狀態(tài)的省電控制
6. 人機交互方式的設(shè)計
總結(jié)
USB Type-C在逐漸統(tǒng)一筆記本及移動終端設(shè)備外部接口，在趨勢的推動下，基于USB Type-C接口的Dock設(shè)計必將受到廣大用戶的歡迎，尤其是在手機和平板性能越發(fā)強大的今天，便攜式Dock讓用戶隨時隨地可以將手機、平板變身成完整的電腦，本文介紹的基于Cypress CCG4 USB PD控制器的Dock設(shè)計方式為廣大外設(shè)廠商提供了一個具有參考價值的設(shè)計思路和理念。
引用：
1. AN210771 - Getting Started with EZ-PD™ CCG4
(http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an210771-getting-started-ez-pd-ccg4?source=search&cat=technical_documents)
2. AN210403 - Hardware Design Guidelines for Dual Role Port Applications Using EZ-PD™ USB Type-C Controllers
(http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an210403-hardware-design-guidelines-dual-role-port-applications?source=search&cat=technical_documents)
3. EZ-PD™ CCG3 USB Type-C Port Controller Datasheet
(http://www.cypress.com/documentation/datasheets/ez-pd-ccg3-datasheet-usb-type-c-controller-power-delivery)
4. AN94150-Designing a SuperSpeed Hub Using HX3 with Optimized BOM (http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an94150-designing-superspeed-hub-using-hx3-optimized-bom?source=search&cat=technical_documents)
5. AN72332 - Guidelines on System Design Using Cypress’s USB 2.0 Hub (HX2VL)
(http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an72332-guidelines-system-design-using-cypresss-usb-20-hub-hx2vl?source=search&cat=technical_documents)
6. EZ-PD Software Development Kit
(http://www.cypress.com/documentation/software-and-drivers/ez-pd-software-development-kit?source=search&cat=software_tools)
7. PSoC® Creator™ Integrated Design Environment (IDE)
(http://www.cypress.com/products/psoc-creator-integrated-design-environment-ide)
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