USB Type-C Docking (擴(kuò)展塢) 設(shè)計(jì)

　　USB Type-C簡介

　　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(rèn)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(shí)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(dá)20V 5A最大100W的標(biāo)準(zhǔn)電能傳輸。

　　上面提到的100W標(biāo)準(zhǔn)電能傳輸，是在USB PD(Power Delivery) 協(xié)議規(guī)范中定義的，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(qiáng)大的功能和靈活性，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(diǎn)是支持正反插，避免過去USB口繁復(fù)的方向?qū)?zhǔn)問題，給用戶帶來極大的便利性。這一功能的實(shí)現(xiàn)和接口物理信號(hào)的定義有直接關(guān)系，圖3是USB Type-C的接口信號(hào)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(gè)信號(hào)引腳，可以看到這些信號(hào)引腳的功能性呈180゜旋轉(zhuǎn)中心對(duì)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(shí)

　　在USB Type-C中對(duì)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(shí)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(jìn)行了分離，意味著一個(gè)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(gè)端口可以是數(shù)據(jù)的主機(jī)，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(yīng)用帶來很大的靈活性。擴(kuò)展塢設(shè)計(jì)就充分利用這種特性，就數(shù)據(jù)而言，針對(duì)于主機(jī)，它是從設(shè)備，而電源方面，它卻要扮演源端(source), 為主機(jī)提供電源。USB PD協(xié)議中，數(shù)據(jù)和電源身份是可以動(dòng)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(rèn)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(jì)，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(hào)線上進(jìn)行Rp-Rd配對(duì)，這決定了DFP 和UFP角色。

　　Vconn信號(hào)線上進(jìn)行Rp-Ra配對(duì)，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(shí)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(jìn)行方向識(shí)別的。上一節(jié)中圖3定義了USB Type-C插頭和插座的信號(hào)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(gè)是正面朝上的插頭信號(hào)圖，中間是正面朝上的插座信號(hào)圖，最下面一幅是正面朝下的插頭信號(hào)圖，該圖示按翻轉(zhuǎn)的方式插入，那么箭頭指示了一個(gè)引腳配對(duì)的位置，據(jù)此可以看出其他引腳配對(duì)的位置了。注意插頭和插座的區(qū)別---插頭中間有2個(gè)空引腳。

　　圖6 DFP和UFP連接時(shí)信號(hào)匹配

　　上面講述了DFP和UFP角色的功能，USB Type-C中還有一個(gè)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(gè)DRP設(shè)備既能實(shí)現(xiàn)DFP功能，也能實(shí)現(xiàn)UFP功能，那么在DRP設(shè)備內(nèi)是同時(shí)集成了Rp和Rd的，在CC通道上DRP設(shè)備分時(shí)連接Rp或者Rd，不會(huì)同時(shí)將它們連接在CC上。通常一個(gè)DRP, 內(nèi)部的Rd 和Rp是通過一個(gè)開關(guān)來選定的，這樣保證端口在同一時(shí)刻不會(huì)既是DFP 又是UFP。

　　USB Type-C是物理接口，要實(shí)現(xiàn)更多功能則需要在接口上實(shí)現(xiàn)USB PD協(xié)議，USB PD協(xié)議在USB Type-C的CC通道上實(shí)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(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)的傳輸，而是實(shí)現(xiàn)控制及產(chǎn)品基本信息的交互。

　　很多設(shè)計(jì)者都有個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為USB PD只是供電的相關(guān)協(xié)議，實(shí)際上，USB PD是USB Type-C的靈魂所在。 比如要實(shí)現(xiàn)角色的切換，必須用到USB PD, 又比如要實(shí)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(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸，關(guān)于USB Type-C可選模式設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，請(qǐng)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(kuò)展塢，這類產(chǎn)品的流行是因?yàn)楣P記本電腦的USB或者視頻等接口數(shù)量有限， 用戶希望擴(kuò)展出更多數(shù)量的或者更多種類的接口，來滿足多元應(yīng)用需求。由于筆記本接口輸出功率的限制，擴(kuò)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(jìn)一步擴(kuò)展了Dock的應(yīng)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(kuò)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(gè)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(jì)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(gè)USB Type-C口，不需要與筆記本的總線進(jìn)行復(fù)雜的線纜連接;

　　2. 一口多用，在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)，USB Type-C Dock不僅僅只能搭配筆記本電腦，同時(shí)也能用在平板電腦和手機(jī)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(jì)

　　1. Docking中電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

　　如上文所述在做Dock設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)Dock給手機(jī)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(jì)在功率足夠的情況下至少遵從以下規(guī)則：

　　圖9 標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)至少包含5V@3A，9V@3A和15V@2A，其他電壓值都是可選的，不做強(qiáng)制規(guī)定，USB PD協(xié)議的這個(gè)規(guī)定是為了提高不同廠商產(chǎn)品的兼容性，增強(qiáng)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(jì)的簡略結(jié)構(gòu)框圖，Dock采用直流接口供電，具有一個(gè)連接筆記本/平板或手機(jī)的上位USB Type-C接口，一個(gè)作為DFP輸出USB數(shù)據(jù)及電源的下位USB Type-C接口，兩個(gè)圖形輸出接口，一個(gè)網(wǎng)口，一個(gè)音頻接口，兩個(gè)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(gè)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(wù)。Dock設(shè)計(jì)中推薦使用CCG4產(chǎn)品主要是因?yàn)樵撓盗挟a(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各大OEM廠商的筆記本及復(fù)雜USB Type-C Dock擴(kuò)展器設(shè)計(jì)中，具有良好的兼容性，和成熟的SDK(軟件開發(fā)包)，SDK擴(kuò)展性良好，設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)的功能：

　　1. 處理USB Type-C事務(wù)，例如作為雙向角色DRP處理接口拔插，正反插事務(wù)。

　　2. 處理USB PD3.0協(xié)議事務(wù)，例如電源事件處理，ALT MODE事件響應(yīng)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(hào))，并響應(yīng)USB Billboard事件。

　　5. 其他板級(jí)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(jī)ALT MODE狀態(tài)事件

　　2. 作為在線升級(jí)控制器處理USB事務(wù)，接收數(shù)據(jù)包，并通過I2C或其他板上接口對(duì)其他芯片升級(jí)。

　　3. 作為EC(全稱Embedded Controller)對(duì)PD控制器或其他芯片進(jìn)行任務(wù)協(xié)調(diào)和擴(kuò)展。

　　HUB推薦使用Cypress USB3.1 Gen1的HX3系列(CYUSB3314)可以單獨(dú)使能每個(gè)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(jì)時(shí)，能將下行口的USB3.0的Super Speed信號(hào)和High Speed信號(hào)拆分成兩組獨(dú)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(rèn)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(jí)功能---提升終端客戶體驗(yàn)

　　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(yàn)實(shí)施);

　　2. 保證產(chǎn)品靈活的接口特性(增加在線升級(jí)功能)

　　Cypress目前有成熟的Dock在線升級(jí)方案，圖12展示了Dock在線升級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，DMC通過USB2.0接收主機(jī)端升級(jí)命令和數(shù)據(jù)，再通過I2C或者其他板級(jí)通信協(xié)議中轉(zhuǎn)到各外部芯片上進(jìn)行升級(jí)。

　　　　圖12 Dock在線升級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　DMC主要具備兩個(gè)USB接口，一個(gè)是USB Billboard類，主要用于標(biāo)準(zhǔn)USB Billboard事務(wù)處理。一個(gè)是WINUSB類，這種設(shè)備類在WIN10上有預(yù)裝的驅(qū)動(dòng)程序，可以免去使用者使用麻煩，更重要的是在Windows移動(dòng)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(jī)平板都能實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)，同時(shí)DMC將使用USB控制端點(diǎn)傳輸命令，再通過批量端點(diǎn)傳送各芯片固件的二進(jìn)制文件。該Dock方案中在升級(jí)軟件與DMC建立鏈接后，所有升級(jí)動(dòng)作由DMC主動(dòng)發(fā)起，所以在不同Dock應(yīng)用中是可以使用相同的系統(tǒng)端升級(jí)軟件的，并且由于CY7C65219 集成了加解密IP，在特殊應(yīng)用中也可以通過DMC發(fā)起密匙配對(duì)識(shí)別升級(jí)來源是否是安全的。

　　值得注意的是在DMC升級(jí)系統(tǒng)部件的過程中，可能某些部件會(huì)有主動(dòng)操作I2C總線的行為，這是需要設(shè)計(jì)者考慮進(jìn)去的，這種情況建議設(shè)計(jì)師建立兩顆芯片間操作總線的互斥原則，并在FW中做相應(yīng)設(shè)置。

　　4. Dock解決方案中的固件流程

　　Dock的解決方案中會(huì)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(jìn)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(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可簡化為圖13.

　　　圖13 Dock的I2C控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　Dock中CCG4會(huì)通過I2C控制大部分外圍芯片，主要是實(shí)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(shí)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(diǎn)突出了應(yīng)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(huì)通報(bào)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(yīng)用層面，為用戶提供創(chuàng)新實(shí)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(shí)際上這些事務(wù)在DMC的架構(gòu)中已經(jīng)構(gòu)建并充分驗(yàn)證，開發(fā)者不需要做更改即可使用，在Dock設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)事務(wù)處理的實(shí)時(shí)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(kuò)展塢推薦采用的Cypress系列PD控制器設(shè)計(jì)，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(fèi)使用軟件開發(fā)包完成個(gè)性化的功能設(shè)計(jì)，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(dòng)生成相應(yīng)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(dāng)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(xiàng)

　　電腦擴(kuò)展塢是一個(gè)比較復(fù)雜的封閉系統(tǒng)，因?yàn)閿U(kuò)展塢通常具有多種不同外部接口，對(duì)應(yīng)的在設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)有一些注意事項(xiàng)：

　　3. 電源的分配，比如供電電源能力的計(jì)算，對(duì)每個(gè)模塊及接口電源的分配需要匹配

　　4. 對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的分配

　　5. 對(duì)系統(tǒng)休眠狀態(tài)的省電控制

　　6. 人機(jī)交互方式的設(shè)計(jì)

　　總結(jié)

　　USB Type-C在逐漸統(tǒng)一筆記本及移動(dòng)終端設(shè)備外部接口，在趨勢的推動(dòng)下，基于USB Type-C接口的Dock設(shè)計(jì)必將受到廣大用戶的歡迎，尤其是在手機(jī)和平板性能越發(fā)強(qiáng)大的今天，便攜式Dock讓用戶隨時(shí)隨地可以將手機(jī)、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(jì)方式為廣大外設(shè)廠商提供了一個(gè)具有參考價(jià)值的設(shè)計(jì)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)