USB Type-C 工程师指南 (2024)
Hacker News 摘要原标题：An Engineer's Guide to USB Typе-С (2024)
这份电子书是德州仪器提供的 USB Type-C 和 USB Power Delivery（简称 USB PD）工程设计指南。它详细介绍了相关标准、应用场景以及硬件实现的技术细节。
USB Type-C 基础知识
USB Type-C 是一种工业标准接口，支持在单一接口上同时传输数据和电力。配合 USB PD 标准，目前最高可支持 240W 的电力传输和 80Gbps 的数据带宽。
数据与电力角色
• 下行端口（DFP）：通常指主机或集线器上的端口，向外发送数据并提供 VBUS 电源。
• 上行端口（UFP）：通常指设备或集线器上的上行口，接收数据并消耗 VBUS 电源。
• 双角色数据端口（DRD）：可以在主机和设备角色之间切换，常见于笔记本电脑和智能手机。
• 受电端（Sink）：消耗电力的端口，如键盘、耳机。
• 供电端（Source）：提供电力的端口，如壁式充电器。
• 双角色电源端口（DRP）：可以作为供电端或受电端，并能动态切换角色。
引脚布局与可翻转性
USB Type-C 接口具有对称性，支持正反插。
• GND：信号返回路径。
• TX 和 RX：用于 USB 3.1 以上的高速差分对。
• VBUS：总线电源，支持 5V 到 48V。
• CC1 和 CC2：配置通道，用于检测电缆连接、方向及电流宣告。
• SBU1 和 SBU2：边带使用引脚，用于备用模式（如 DisplayPort）。
• D+ 和 D-：兼容 USB 2.0 的高速差分对。
由于高速信号在翻转时无法简单通过并联解决，通常需要使用高速多路复用器（Multiplexer）根据 CC 引脚检测到的方向来切换信号路径。
为什么需要 USB PD 控制器
在以下场景中，必须使用专门的 USB PD 控制器：
1. 电压超过 5V：即使功率需求小于 15W，只要电压高于 5V 就需要 PD 协商。
2. 支持视频输出：如通过接口实现 DisplayPort 功能。
3. 电力与数据角色不匹配：例如扩展坞作为供电端（Source）的同时，作为数据受电端（UFP）接收视频数据。
协议历史与演进
• USB 2.0：最高 480Mbps，电力最高 5V/0.5A。
• USB 3.0/3.1：最高 5Gbps 或 10Gbps，电力最高 5V/0.9A。
• USB PD 3.0：支持最高 100W（20V/5A），引入了 PPS（可编程电源），电压步进为 20mV。
• USB PD 3.1：引入了 EPR（扩展功率范围），支持最高 240W（48V/5A）。
• USB4：要求使用 Type-C 接口，支持 40Gbps 及以上的带宽，支持协议隧道技术。
关键技术机制
配置通道（CC）逻辑
连接检测通过供电端的上拉电阻 Rp 和受电端的下拉电阻 Rd 形成的电压分压来实现。供电端通过改变 Rp 的阻值来宣告其电流供应能力（如 1.5A 或 3A）。
USB PD 消息传递
PD 协商使用 BMC（双相标记码）在 CC 引脚上进行。
• SOP 消息：控制器之间的直接通信。
• SOP' 和 SOP'' 消息：与电缆中的电子标签（e-marker）进行通信，用于识别电缆能力。
协商流程
1. 供电端发送 Source_Capabilities（宣告支持的电压和电流）。
2. 受电端发送 Request（请求特定的电力方案）。
3. 供电端回复 Accept 并调整电压。
4. 电压稳定后，供电端发送 PS_RDY。
信号完整性与多路复用
随着数据速率提升，信号衰减和干扰变得严重。
• 线性红驱动器（Linear Redriver）：用于补偿系统内的符号间干扰。
• 重定时器（Retimer）：在 USB4 等超高速应用中，用于完全恢复并重新发送信号。
• eUSB2：针对先进工艺（7nm 及以下）设计的嵌入式 USB 2.0 标准，将信号电压从 3.3V 降低到 1.0V 或 1.2V，以保护敏感电路。
USB4 深度解析
USB4 具有极高的带宽，支持将多个独立协议（如 PCIe、DisplayPort）封装在 USB4 结构中传输。
• 发现过程：必须通过 USB PD 的 Enter_USB 消息进入 USB4 模式。
• 边带通信：使用 SBU 引脚进行 1Mbps 的 UART 通信，用于链路训练和参数配置。
• 非对称传输：USB4 版本 2 支持非对称模式，例如 3 个发送通道和 1 个接收通道，实现 120Gbps 的单向带宽。
EPR 扩展功率范围
EPR 标准将最高电压提升至 28V、36V 和 48V。
• AVS（可调电压电源）：在 15V 到 48V 之间以 100mV 为步进调节电压。
• 安全机制：进入 EPR 模式需要复杂的握手流程，且必须使用带有特殊标识的 240W 认证电缆，以防止旧设备因高电压受损。
常见应用场景与方案
• 5V 纯供电端口：仅需简单的 CC 控制器和负载开关。
• 支持视频的笔记本电脑端口：需要 PD 控制器、高速切换开关、支持双向电力的电池充电 IC。
• 扩展坞：需要处理电力输入输出切换以及复杂的视频协议转换。
• 电动工具与蓝牙音箱：利用 DRP 方案，既可以通过同一个接口充电，也可以作为移动电源为手机供电。
德州仪器 PD 控制器的优势
• 高度集成：集成了功率路径隔离 FET、过压保护（OVP）、过流保护（OCP）和反向电流保护（RCP）。
• 无需固件开发：提供现成的配置工具，通过 GUI 界面回答问题即可生成配置。
• 完全合规：所有芯片均通过 USB-IF 认证，确保与市场上各类设备的兼容性。
• 低功耗设计：提供死电池（Dead Battery）支持，即使在设备完全没电时也能通过 PD 接口启动充电。
原文：https://www.ti.com/lit/eb/slyy228/slyy228.pdf?ts=1759892558029