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玩转USB Type C, 从PD PHY开始

6 7, 2021

概述

说起USB,大家应该都是耳熟能详,特别是现在的最热门的明星USB Type C,已经成功的深入到大家生活的方方面面。自从2015年面世以来,历经多次迭代升级, USB Type C俨然已经是我们生活中的不可或缺的部分。从我们每日爱不释手的智能手机,到家中C位的智能电视,不知不觉当中,Type C已经深深的植根于这些产品中。

曾几何时,电源与信号是泾渭分明。一台笔记本,有专门用于充电的适配器,也有专门用于数据传输的Hub,还有只能用于视频输出的Docking,1+N的搭配方式是我们无奈的选择。

而今天,采用USB Type C的设备却让一切的繁琐成为了过去。USB Type C除了相对于他的前辈USB Type A、Type B更轻更薄外,更强大的集成功能,让多种功能在同一根线上实现成为了可能。


Type C功能

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图1 TypeC接口定义


在Type C的定义中,4组VBUS和GND引线对为大电流场合提供了可能。8根最高速度可达10GHz的高速信号引线为各种高速信号通信,视频传输留了足够的空间。多余的引脚还可以往前兼容传统的协议。而最重要的是新增的CC引脚,连接于主机与设备间,专门用于支持type C中的PD协议,实现各种功能配置。在Type C实现应用中,同样的主机,设备,线缆,既可以实现大功率的电能传输,双向的USB数据交互,也可以使高清的视频信息嵌入其中,电源、USB数据、视频融为一体。


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图2 TypeC接口的三大功能


电源:主机对设备的能量传输,是通过VBUS与GND的回路来实现,而配置主机向设备输出的电压电流的大小,则是通过USB PD协议来实现。USB PD协议通过CC引脚,实现主机与设备的协商,可以让主机向设备提供3.3-48V,5A中的任意一档功率,最大功率达到了240W。


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图3 TypeC PD协议EPR功率范围


USB数据:毫无疑问的,USB Type C支持USB2.0、 3.0以及USB4等各种USB数据的传输。在主机与设备开始高速数据传输前,主机依然要通过CC引脚,来对线缆,设备进行查询,通过CC引脚上的PD协议,配置不同的数据传输模式。


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图4 USB数据传输速率分类


视频:强大的Type C高速信号线设计为多种高速信息的传输预留了空间,在一个连接的超高清视频系统里面,主机与设备通过CC引脚的PD协议,重新配置各路高速信号线的功能,使主机和设备进入约定支持的视频传输模式(DP),达到最大8K视频的传输能力。


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图5 DP协议演进

PD PHY HUSB311

在电源、数据、视频等场景,无论哪种应用,基于CC线的PD协议变得不可或缺,通过PD协议对主机和设备进行配置成为系统的基本要求。在各种各样的应用场景中, PD协议要进行的配置内容,指令都不一样。此时,全功能支持PD协议的HUSB311应运而生。

HUSB311是一颗USB PD物理层芯片,简称TCPC或者PD PHY。其可用于主机或设备中,直接连接CC引脚,用于设备接入的检测,PD信息的发送与接收。在PD协议中,为了达到良好的信号传输质量以及实现可靠的信息传输机制,在其发送与接收的机制中均加入了强大的噪声抑制机制,以及复杂的编码方式,普通的MCU难以完美实现PD协议中的抗干扰,时序等要求。

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图6 PD物理层实现举例


HUSB311采用硬件的方式,集成了PD协议中所需的各种物理功能,包括设备插入拔出检测,PD信息的收发以及接口状态的上报,其能够正确将当前Type C口的状态,CC引脚中传输的PD信息,快速的反馈给主机或者设备,此时的主机或者设备只需要正确的读取HUSB311的数据即可轻松实现端口状态的监控,以及各种PD信息的发送,实现多种模式配置。

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图7 HUSB311内部功能框图


HUSB311中PD协议的高自由度定制,让支持Type C各种应用场景成为了可能。在一些纯粹电源传输的场合,比如充电宝、储能等设备,用HUSB311配置为支持双向充放电角色(DRP),各种支持的电压电流档均可自由定制,甚至于还可以采用PD协议的自定义指令,进行双方设备鉴权,在身份识别成功后,发起更高电压,更大电流的支持,提升用户体验。无论外部接入的充电设备还是供电设备,HUSB311均可以自动检测,自适应调整功率角色,顺利完成PD协议的功率握手。

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图8 支持双向充放电角色的双Type C口系统设计


在Type C的优势主场,电源与数据或者视频相互融合的场景,更是让人振奋。在主机和设备成功连接后,采用HUSB311完成PD协议的功率握手,随后进入高速通信模式的配置,比如TBT3、USB4等。在完成高速的数据通信的同时,主机和设备之间依然在进行大功率的电能传输、充电、通信两不误。

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图9 TypeC全功能应用场景

小结

简单、便捷是所有产品的进化方向。Type C这种将电源与数据集合在一起的方式符合新一代产品的方向。用PD PHY的HUSB311对各自产品进行自定义的开发,将Type C的便捷与个性化产品的灵活性高度的结合在一起,使得Type C产品的开发不再那么漫长,这是我们玩转type C所迈出的关键一步。索要HUSB311应用于各种场景的设计资料,请立即联系Hynetek.




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