Type-C CC檢測原理

AMS1117LIB 2022-01-21

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Type-C協(xié)議簡介（CC檢測原理）
作者：AirCity 2019.12.15
Aircity007@sina.com 本文所有權(quán)歸作者Aircity所有

1 簡介

越來越多的手機(jī)開始采用Type-C作為充電和通信端口，Type-C連接器實物和PIN定義如下圖：
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Type-C連接器中有兩個管腳CC1和CC2，他們用于識別連接器的插入方向，以及不同的插入設(shè)備。本文介紹CC的基本識別原理。

先介紹幾個概念：
DFP——Downstream Facing Port，也就是Host
UFP——Upstream Facing Port，也就是Device
DRP——Dual Role port，既可以做DFP，也可以做UFP。

在建立連接之前，DRP的角色在DFP和UPF之間切換。如果兩個DRP連接，最先隨機(jī)到那種角色后開始建立連接，之后可以通過USB協(xié)議協(xié)商進(jìn)行動態(tài)切換。

2 為什需要CC檢測

雖然USB Type-C插座和插頭的兩排管腳對稱，USB數(shù)據(jù)信號都有兩組重復(fù)的通道，但主控芯片通常只有一組TX/RX和D+/-通道（某些芯片有兩組TX/RX和D+/-通道）。

由于USB2.0的數(shù)據(jù)率最高只有480Mbps, 可以不考慮信號走線的阻抗連續(xù)性，USB2.0的D+/-信號可以不被MUX控制而直接從主控芯片走線，然后一分二連接至USB Type-C插座的兩組D+/-管腳上。

但USB3.0或者USB3.1的數(shù)據(jù)率高達(dá)5Gbps或者10Gbps，如果信號線還是被簡單地一分二的話，不連續(xù)的信號線阻抗將嚴(yán)重破壞數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，因此必須由MUX切換來保證信號路徑阻抗的一致性，以確保信號傳輸質(zhì)量。

下圖中右側(cè)所示的MUX從TX1/RX1和TX2/RX2中選擇一路連接至主控芯片，而這個MUX就必須被CC管腳控制。

在USB2.0應(yīng)用中，無需考慮CC方向檢測問題，但USB3.0或者USB3.1應(yīng)用中，必須考慮CC方向檢測問題。
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注意UFP，比如U盤，移動硬盤內(nèi)部不需要CC邏輯檢測，因為它是上行，只有一對USB2.0或USB3.0信號，如下圖

3 CC檢測原理

CC信號有兩根線，CC1和CC2，大部分USB線（不帶芯片的線纜）里面只有一根CC線，DFP可根據(jù)兩根CC線上的電壓，判斷是否已經(jīng)插入設(shè)備。通過判斷哪根CC線上有下拉電阻來判斷方向，下圖的說明已經(jīng)非常清晰。
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如果CC1引腳檢測到有效的Rp/Rd連接（對應(yīng)的電壓），則認(rèn)為電纜連接未翻轉(zhuǎn)。
如果CC2引腳檢測到有效的Rp/Rd連接（對應(yīng)的電壓），則認(rèn)為電纜連接已翻轉(zhuǎn)。

“有效的Rp/Rd連接”指在CC上形成了有效的電壓。
從DFP的角度看，下表列出了所有可能的連接狀態(tài)，
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以上只是介紹了CC檢測中判斷是否翻轉(zhuǎn)的原理，兩個CC信號還有向UPF通告DFP提供電流能力的功能等，見下文。

3.1 DFP的上拉電阻Rp

DFP的CC1和CC2信號上都必須有上拉電阻Rp，上拉到5V或3.3V。或者CC1和CC2都用電流源上拉。最終的目的是在插入后，能檢測到CC1或CC2上的電壓，進(jìn)而判斷是否翻轉(zhuǎn)以及DFP的電流能力。如下是所有可能的配置?？梢赃x擇右邊三列中的任何一列作為上拉方式，比如Fairchild的FUSB300就是用330uA上拉，TI的TUSB320LAI用的是80uA的上拉，不同的上拉方式在CC引腳上形成的電壓不同，不同的電壓對應(yīng)不同的電流能力。
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3.2 UPF的Rd

UFP的CC1和CC2管腳都要有一個下拉電阻Rd到GND（或者使用電壓鉗位）。Rd的處理方式如下表。
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注意，最后一列的電流源連接至的電壓，是指3.1節(jié)中表格的最后一列電流源的上拉電壓。
結(jié)合這個表格，和3.1節(jié)的表格，我們把每種可能的上下拉范圍都計算出了最終形成的電壓范圍，如下表。
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CC檢測芯片會檢測這個電壓，通過判斷電壓范圍來決定下一步操作。下表是CC管腳上不同的電壓對應(yīng)的DFP能提供的電流能力。第二列列出的每一種電壓范圍，都分別覆蓋了上表計算出的電壓。Rp/Ra的計算是同理的。
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3.3 數(shù)據(jù)線上的Ra

帶電子標(biāo)簽的線纜，其中一個CC管腳被更名為VCONN，用于給電子標(biāo)簽芯片供電。這個VCONN管腳與GND之間需要一個Ra電阻，這個電阻值范圍是800Ω~1.2KΩ。

3.4 VCONN電源

VCONN的允許范圍是4.75V~5.5V，要求供電能力是1W。默認(rèn)情況下DFP提供這個電源。如果兩個DRP連接，則雙方可以通過USB PD協(xié)議協(xié)商來交換VCONN供電方。
支持PD的USB3.0接口均需支持VCONN，可以通過下面兩種方式之一提供VCONN電源。

如果其中一個CC引腳上檢測到有效的Rp/Rd連接，則VCONN電源可以接到另一個對應(yīng)的CC引腳。
如果其中一個CC引腳上檢測到有效的Rp/Rd連接，先檢查另一個CC引腳是否也有Rp/Ra連接，然后再提供VCONN。
先檢測是否有Ra存在，如果有說明需要Vconn供電，此時再提供Vconn。檢測過程不需要Vconn存在。
注意，每一個CC引腳內(nèi)部都有一個開關(guān)，輪訓(xùn)CC和VCONN功能，下圖是一個典型的連接方式：

4 手機(jī)都是DRP

現(xiàn)實中，我們的手機(jī)都是DRP，既能做DFP，又能做UFP，那么是如何切換呢？
DRP在待機(jī)模式下每50ms在DFP和UFP間切換一次。當(dāng)切換至DFP時，CC管腳上必須有一個上拉至VBUS的電阻Rp或者輸出一個電流源，當(dāng)切換至UFP時，CC管腳上必須有一個下拉至GND的電阻Rd。此切換動作必須由CC Logic芯片來完成。當(dāng)DFP檢測到UFP插入之后才可以輸出VBUS，當(dāng)UFP拔出以后必須關(guān)閉VBUS。此動作必須由CC Logic芯片來完成。下面是一個CC邏輯芯片框圖，CC上有一個開關(guān)，在不斷切換功能。
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5 USB Power Delivery 2.0

這個是由USB-IF制定的單線協(xié)議，在CC線上傳輸，用于協(xié)商供電角色，電壓，最大供電能力，數(shù)據(jù)角色，備用模式等，端口與供電電纜之間的通信業(yè)通過PD協(xié)議進(jìn)行。協(xié)議不做展開，詳見USB-IF官網(wǎng)。下面是協(xié)議的幾個特點：

所有通信均通過CC線。
DFP是總線主設(shè)備，用于發(fā)起所有通信。
所有消息均采用32bit 4b/5b編碼的雙向標(biāo)記編碼（Bi-phase Mark Coded，BMC）
300K波特率
CRC32錯誤檢驗+消息重試

6 Type-C線纜規(guī)范

線纜至少支持10000次拔插。
不規(guī)定信號線規(guī)，但是必須保證USB2.0和USB3.0的信號完整性
CC和SUB1/SUB2線上的阻抗不大于50Ω
GND返回路徑上的最大IR壓降為250mV
Vbus上的最大IR壓降為500mV
USB Type-C規(guī)范中并未明確規(guī)定線纜長度，但是電器要求產(chǎn)生了一些物理限制。USB3.1 Type-C轉(zhuǎn)Type-C電纜組件在5GHz下的插入損耗指定為為-6dB，從而將電纜長度有效限制為1米。USB3.0 Type-C轉(zhuǎn)Type-C電纜組件在5GHz下的插入損耗指定為為-7dB，從而將電纜長度有效限制為2米。

7 帶電子標(biāo)簽的Type-C數(shù)據(jù)線

如果Type-C數(shù)據(jù)線上帶了芯片（我們稱之為電子標(biāo)簽），這個芯片可以通過USB供電規(guī)范2.0 BMC協(xié)議與USB端口通信。電子標(biāo)簽電纜可用VCONN供電，也可以直接由Vbus供電，最高可消耗70mW的功率。如下類型的電纜必須要電子標(biāo)簽：

兼容USB3.1的USB Type-C電纜
100W供電電纜。能夠?qū)崿F(xiàn)60W以上功率承載能力的任何電纜都必須有電子標(biāo)簽，并且能夠與DFP端口通信。
帶電子標(biāo)簽的電纜如果插入不支持USB供電規(guī)范2.0的插座中，其行為與標(biāo)準(zhǔn)的無源電纜完全相同。