在設(shè)計(jì)載板時(shí)添加USB-C - 第2部分

這是我們兩篇博客系列的第二部分。在第一部分中，您學(xué)習(xí)了 USB-C 引腳、配置通道和電源分配。
讓我們繼續(xù)通過您已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)分析現(xiàn)實(shí)世界的示例，然后我們將以分析USB-C上的數(shù)據(jù)信號(hào)來結(jié)尾。

在跳進(jìn)現(xiàn)實(shí)案例之前，讓我們快速回顧一下電阻設(shè)置以及DFP設(shè)備（主機(jī)）在連接不同電阻時(shí)檢測(cè)CC引腳時(shí)可能檢測(cè)到的狀態(tài)：

USB-C Configuration Channel

現(xiàn)在，您可以查看一個(gè)真實(shí)的工作案例 ，一個(gè)雙重角色的 USB-C 端口，可以為連接設(shè)備提供電源。

Simple USB-C dual role port

本節(jié)摘自Verdin開發(fā)板，使用了TUSB321芯片來處理配置通道和VBUS中的功率切換芯片。CC連接的芯片檢測(cè)線纜的方向和電源輸入設(shè)備的存在（請(qǐng)參見上面的表格）。然后，它將檢測(cè)到的狀態(tài)告知給Verdin模塊，該模塊控制功率切換芯片。根據(jù)引腳狀態(tài)，TUSB321可以宣布不同的最大輸出電流級(jí)別（0.5 / 0.9A，1.5A和3A）。功率切換芯片（IC4）的電流限制需要相應(yīng)調(diào)整。

The block diagram for the TUSB321

在 TUSB321 中，您可以看到 CC 引腳切換到下拉電阻，并且可配置上拉電阻。這種方式使您的設(shè)備可以用于 UFP、DFP 和 DRP 配置 ，由 PORT 引腳控制 ，并可配置以宣布其電源傳遞能力 ，這由 CURRENT_MODE 引腳控制。由于 TUSB321 僅使用上拉電阻來宣布端口的電源能力，因此它只能宣布最大為5V和3A（15W）的電源。對(duì)于更高的電壓，需要使用高級(jí)電源傳遞配置芯片。

您還會(huì)發(fā)現(xiàn)查看電源匯輸入設(shè)備示例很有幫助。

USB-C power sink

本節(jié)內(nèi)容適用于我們的 Dahlia 載板，該板具有一個(gè)能夠進(jìn)行總線通信的芯片（IC23）。因此，這種解決方案可以協(xié)商獲得具有高于5V和大于3A的電流的功率配置。連接到CC引腳的芯片具有內(nèi)置的EPROM，其中包含三個(gè)配置。這些信息通過CC總線進(jìn)行通信，并由可用匹配配置的電源輸出設(shè)備使用。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備都同意一個(gè)相互可用的配置時(shí)，VBUS被切換，設(shè)備可以從總線上開始消耗電力。

原理圖還提供了一個(gè)選配的充電器檢測(cè)器芯片（IC22）。通過檢查D+和D-數(shù)據(jù)信號(hào)是否短路在一起，IC22可以檢測(cè)到傳統(tǒng)充電器。如果USB電源輸送協(xié)商成功（IC23）或接入U(xiǎn)SB Type-A充電器（IC22），則啟用總線電源（IC20），并且載板可以開始啟動(dòng)模塊。如果未檢測(cè)到充電器或USB-C電源輸送端口，則系統(tǒng)將不會(huì)啟動(dòng)，因?yàn)椴槐辉试S從端口吸取超過5V / 100mA的電流。

USB-C 接口相比以前的接口，具有更多的數(shù)據(jù)信號(hào)引腳，這一點(diǎn)值得注意。

• 兩條 Super-Speed 信號(hào)通道——TX 和 RX 對(duì)。

• 對(duì)稱的 D+ 和 D- 信號(hào)對(duì)（只在設(shè)備端冗余）。

• 兩個(gè) Sideband Use（SBU）引腳，用于其他模式下的特殊功能。

USB 2.0的D+/D-引腳在插座上是對(duì)稱的，這意味著不需要識(shí)別插入的電纜的方向，也不需要多路復(fù)用器來切換信號(hào)。

為了充分利用USB-C的 Super-Speed 信號(hào)功能，必須使用多路復(fù)用器以及使用CC引腳進(jìn)行正確的電纜方向檢測(cè)，如第一篇博客所解釋的那樣，以便多路復(fù)用器能夠得到正確的控制。這是在使用雙路或單路配置時(shí)確保使用正確的通道所必需的。

讓我們看看實(shí)際的案例，以了解它們是如何聯(lián)系在一起的；

使用USB-C的最簡單的配置是作為上行面向的高速端口設(shè)備。

USB-C Client

使用CC引腳的下拉電阻和D+ / D-引腳，所示電路是Micro Type-B連接器的簡單替代品，完全符合USB-C標(biāo)準(zhǔn)。它可以用于鼠標(biāo)和閃存驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。

可以使用下圖所示的配置替換OTG，該配置來自我們的Verdin開發(fā)板，在分析USB-C電源輸出源時(shí)曾在本博客文章中出現(xiàn)過。

High-Speed DRD

CC引腳和已經(jīng)解釋過的檢測(cè)過程用于定義設(shè)備的角色，即作為DFP或UFP，以及 D+和D-引腳被用作 Data Signals 和之前示例相同。

在這里使用沒有 Super-Speed 引腳的連接器是一個(gè)好的做法，否則會(huì)可以大大增加引腳密度，增加PCB布線的工作量。

在我們的 Apalis 載板參考設(shè)計(jì)中，您可以看到USB-C的更高級(jí)用途。

USB-C Super-Speed

當(dāng)向您的USB-C應(yīng)用添加 Super-Speed 功能時(shí)，如前所述，所需的多路復(fù)用器用于將 Super-Speed 信號(hào)連接到電纜的正確一側(cè)，這可以簡單地由同一個(gè) TUSB321芯片控制。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)技巧來簡化布線過程：CC引腳被反轉(zhuǎn)，因此用于控制多路復(fù)用器的信號(hào)也被反轉(zhuǎn)，簡化了多路復(fù)用器周圍的布線。

現(xiàn)在，讓我們來看一個(gè)來自筆記本電腦應(yīng)用的完整功能示例。

Laptop USB-C implementation
Source: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PTN5100.pdf

在這個(gè)設(shè)置中，筆記本可以充電或?yàn)閁FP設(shè)備提供電源，包括通過專用IC（PTN5100）進(jìn)行電源協(xié)商和可同時(shí)使用的顯示端口功能。請(qǐng)注意矩陣切換器IC，它可以連接來自CPU圖形部分的視頻信號(hào)和南橋的 Super-Speed 信號(hào)。

讓我們更仔細(xì)地看一下使用USB-C和顯示端口配置的可能性。您可以在下面的圖像中看到其中一些選項(xiàng)：

b

Display port configurations

重申一下，DisplayPort最多可以使用4個(gè)通道，但也可以使用1個(gè)或2個(gè)通道。每個(gè)用于 super-speed 信號(hào)的雙向通道（TX/RX對(duì)）可以容納2個(gè)DisplayPort通道，因?yàn)樗耐ǖ朗菃蜗虻?。因此，如果您只使?個(gè)DisplayPort通道，則可以在剩余的雙向通道中與 super-speed 信號(hào)結(jié)合使用。這也意味著在DisplayPort中使用高分辨率（使用4個(gè)通道）時(shí)，您只能使用 D+和D-引腳的 USB 2.0。

讓我們看看一些錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤可以通過嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)來避免。

Rasp Pi 4 USB-C circuit
Source: https://datasheets.raspberrypi.com/rpi4/raspberry-pi-4-reduced-schematics.pdf

在樹莓派4的第一個(gè)版本中，CC引腳共用了同一個(gè)Rd電阻，這導(dǎo)致它們被短接在一起。當(dāng)使用被動(dòng)線纜（無標(biāo)記芯片）連接時(shí)，DFP設(shè)備只能在一個(gè)CC引腳上檢測(cè)到Rd，因?yàn)橹挥蠧C1 在線纜中被連接，這導(dǎo)致UFP設(shè)備可以正常工作。對(duì)照表格進(jìn)行查看：

然而，讓我們看看當(dāng)它連接到一個(gè)在 CC2 兩端都有Ra電阻的主動(dòng)USB-C線纜時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

Resultant configuration with marker cable

在DFP設(shè)備端，CC2引腳檢測(cè)到Ra電阻，CC1引腳檢測(cè)到并聯(lián)于電纜另一端的Ra電阻，由于Raspberry Pi板上的CC1和CC2引腳短接而引入的Rd電阻。這種并聯(lián)配置導(dǎo)致形成了836歐姆的電阻，其在Ra電阻的允許值范圍內(nèi)。如果你仔細(xì)檢查一下表格，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這導(dǎo)致了檢測(cè)到音頻適配器的狀態(tài)，使板子無法獲得電源。

通過介紹基本的USB-C概念，你現(xiàn)在了解了它所帶來的可能性、限制以及使用其資源的基本設(shè)置。
更詳細(xì)的信息可通過下面的鏈接獲得，如果你需要設(shè)計(jì)載板方面的幫助，歡迎給我們留言。

• Official USB Specifications https://www.usb.org/documents

• Wikipedia articles

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB-C

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB_3.0

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB

• Short USB-C and Power Delivery Guide https://microchipdeveloper.com/usb:type-c

• Easy to read USB 2.0 - the basic about enumeration and the protocol https://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml

• Toradex Design Guides

• https://docs.toradex.cn/108140-verdin-carrier-board-design-guide.pdf

• https://docs.toradex.cn/101123-apalis-arm-carrier-board-design-guide.pdf