USB-C可選模式應用

　　USB-C簡介

　　USB-C即USB Type-C型接口，是USB協會最新推出的接口，相比傳統USB接口，USB-C具有結構纖細、支持正反插、高電力傳輸、支持可選模式(DisplayPort/Thunderbolt等)輸出的突出優質特性，其尺寸比較如圖1所示。

　　圖1 高集成度的USB-C接口

　　USB-C的高集成度特性使得用戶可以在同一條線纜上傳輸數據、視頻、電力，精簡了設備使用的復雜度，使電子設備更加美觀精致，因此在消費類電子市場中備受大家關注。

　　USB-PD協議是在USB-C接口上運行的通信協議，與傳統USB協議不同，USB-PD協議通常不用于數據傳輸，只是進行USB-C接口的屬性設置。簡單來說，USB-C是接口，USB-PD則用于建立包括供電能力，可選模式等的具體數據和供電屬性。

　　什么是USB-C的可選模式

　　可選模式是USB-C除了傳統的USB數據傳輸以外額外支持的模式——比如圖像數據(DisplayPort)或者是雷電(Thunderbolt)等。USB協會為每一個標準的可選模式頒發一個唯一的16bit的USB標準編碼(SID)，用于主從設備之間可選模式支持與否的溝通。

　　以DisplayPort以例進行說明，DisplayPort(簡稱DP)是視頻電子標準協會(VESA)推出的數字式視頻接口標準，獲得了第一個可選模式的標準編碼(0xFF01)。

　　USB數據和DP可選模式的數據是可以同時傳輸的，兩種不同的數據將USB-C的四對高速差分信號線分割成兩組，分別傳輸不同數據，互不干擾。USBC還為可選模式提供了兩條作為補充的信號線Sideband Use (SBU)，它們的作用是傳輸低速的數據或者配置信息，在DP模式中就被用于傳遞輔助通道(AUX)信號。(例如DP中的EDID等顯示器信息)

　　如何進入USB-C的可選模式

　　在USB-C中提出了一個新的USB類——Billboard (USB2.0 設備)，它的作用是當設備進入可選模式失敗或者發生未知錯誤的時候枚舉出來，主機由此獲取可選模式的狀態。如果在支持可選模式的外設中沒有集成Billboard，造成的最大影響就是主機無法有效知悉設備的運行狀態。因此，如果客戶產品需要支持可選模式，那么必須在外設端增加Billboard設備。

　　進入USB-C可選模式的必要條件：

　　1. 主機支持USB Type-C，USB-PD(Power Delivery)協議。

　　2. 主機支持某些可選模式。

　　3. 外設支持USB-PD協議。

　　4. 外設支持相對應的可選模式。

　　外設與主機連接初始狀態為USB模式，之后會出現幾種不同情況，下文將進行逐步分析：

　　1. 假如主機不支持USB-PD協議，在一定等待時間后，外設將枚舉Billboard設備通知電腦進入可選模式失敗，如圖2所示。

　　2. 電腦支持USB-PD協議，卻不支持外設所選擇的可選模式，外設將枚舉Billboard設備通知電腦進入可選模式失敗，如圖2。需要注意，目前Windows10系統支持Billboard設備類，Windows8系統需要安裝相應的補丁才能支持。

　　圖2進入可選模式失敗

　　3. 電腦既支持USB-PD協議，也支持外設的可選模式時，會按照以下流程進入可選模式[1]:

　　a) 電腦發送“發現實體”(Discover Identity)的命令。

　　外設響應該命令并聲明是一個支持可選模式的適配器Alternate Mode Adapter (AMA)。

　　b) 電腦發送“發現標準廠商編碼”(Discover SVIDs)的命令，用于獲取外設所支持的所有可選模式。

　　外設響應該命令并報告所支持的可選模式類型(如DP模式為0xFF01)。

　　c) 電腦發送“發現支持的子模式”(Discover Modes)命令用于獲取外設在某一標準廠商編碼下所支持的子模式。

　　外設響應該命令并報告所支持的所有子模式。

　　d) 電腦根據外設的設置及電腦的限制選擇進入相應的模式(Enter Mode)。

　　外設收到該命令后回應ACK，退出USB模式，并進入相應可選模式。

　　電腦收到該響應后，退出USB模式，并進入相應可選模式。

　　這一流程可以用圖3概括。

　　圖3 USB-C電腦/設備進入可選模式流程

　　根據USB-C的特性，可以做成形態各異的支持可選模式的擴展設備，如圖4

　　圖4 USBC接口擴展器

　　賽普拉斯高集成度的USB-C PD控制器方案

　　賽普拉斯(Cypress Semiconductor Corp.)從2014年推出世界首款可編程的USB-PD控制器以來到現在已經迭代四代產品，其中具有代表性的高集成度產品是EZ-PD CCG3系列USB-PD控制器。

　　圖5 CCG3功能框圖

　　CCG3集成了一個Contex-M0 內核， 一個USB-PD控制器，一個Billboard，以及豐富的模擬/數字資源。集成了硬件加密內核，可以完整支持PD3.0功能。CCG3使用內部USB Full-Speed內核實現Billboard功能，兼具USB在線升級固件功能，方便產品的更新[2]。

　　CCG3的供電電壓范圍為2.7~21.5V，可以直接使用USB-C中的VBUS電壓。

　　CCG3集成的開關可以用于控制SBU信號與DP的AUX信號的通斷，這極大簡化了USB-C轉DP適配器的設計。

　　以DP模式設計為例，根據CCG3的特性，USB-C轉DP可選模式適配器的邏輯框圖如下[3],[4]：

　　圖6 USB-C轉DP的CCG3方案框圖

　　采用CCG3的DP轉換適配器外圍電路極其簡化，該單芯片方案僅需要有限的電阻電容即可正常工作。

　　總結

　　USB-C在繼承傳統USB接口優點的同時增加了可選模式，使這種接口技術更加開放包容，可以預見，海納百川的USB-C技術在未來幾年將成為市場主流，逐步取代傳統的USB接口或者DP接口。對當前市場，USB-C可選模式轉換的適配器一定會作為過渡產品受到廣大外設廠商的追捧，同時個性化的產品形態是各家高瞻遠矚的公司的首要選擇，采用如CCG3類似的可編程的高集成度USB-C PD控制器為設計平臺將為公司占領市場提供無限的可能性。

　　引用：

　　1. Universal Serial Bus Power Delivery Specification Revision 3.0, V1.0. 11 December 2015

　　2. 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)

　　3. CCGX Frequently Asked Questions (FAQs) - KBA97244

　　(http://www.cypress.com/knowledge-base-article/ccgx-frequently-asked-questions-faqs-kba97244?source=search&keywords=KBA97244)

　　4. www.cypress.com/type-C