Type-C线缆和适配器,具有备用模式的Type-C适配器

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Type-C线缆和适配器,具有备用模式的Type-C适配器


USB Type-C 是 USB 端口的重大改进，具有更快的速度和更强的输电性能，可高速传送数据、视频并且提高了输电能力。Type-C 的这些独有优势可使消费者仅需使用 Type-C 线缆即可完成充电、视频或数据传送，无需配备多种线缆。制造商仅需在其设备上设计并配备 Type-C 端口，即可支持不同用途。

Type-C 之所以具有多种功能，是因为 USB 线缆、端口、配接器和集线器中都使用了更为复杂的嵌入式元件，而不是过去简单的内部工作元件。看似简单的 HDMI 转Type-C 线缆其实很难设计，因为设计时需要使用嵌入式元件。设计 Type-C 解决方案时主要需要处理两个难题，其一是处理供电范围的难题，其二是处理由于采用更高的通信标准而产生通信故障的难题。连接两台设备时，需要启动电力输送协议（PD 协议）。该过程将针对传输电量、以及谁是供电方和用电方进行协商。由于此通信过程需要检测、读取并处理模拟和数字信号，因此需要在主机端口、线缆或配接器中嵌入 MCU 模块以实现 MCU 功能。如果设备之间或主机与设备之间相互不支持，则无法建立通信，就有可能发生故障。检测设备，然后设备与主机进行通信，这也需要 MCU 功能。


USB Type-C 不仅减少了接线数量，还能确保设备之间流畅传输，简化了用户和消费者的操作复杂性。但是，这会给设计者和开发人员带来难题。

Type-C线缆和适配器

希望使用老式外围设备（不支持 USB Type-C）的用户需要使用转换线缆或配接器。有多种此类情况。第一种是将 USB 2.0 简单地转换为 Type-C，由于 USB 2.0 不支持较高的速度且 Vbus 的电压或电流不超过 5V 或 3A，线缆可简单地从 D+/D-、Vbus 和 GND 连接至连接器。第二种是 Type-C 转 Type-C线缆、将 USB 3.0/1 转为 Type-C 的配接器、或者 Vbus 的电压或电流超过 5V 或 3A 的配接器，设计此线缆或配接器比较困难。

在这些情况下，配接器成为两台设备间电量协商的组成部分，因此要求线缆或配接器使用嵌入式 PD 控制器。PD 控制器最初通过设为 5V 的 Vbus 或 Vconn 通道进行供电。随后，其与主机协商，在 Vbus 通道上设置为一致的电量水平。下图是用于连接两台Type-C 设备的电子标识电缆 (EMCA)。PD 控制器可由 Vconn 1 或 Vconn 2 供电。EMCA 将在 CC 通道上显示其最大功率容量，源端将调整以适应其功率。



USB Type-C 转 Type-C 线缆

具有备用模式的Type-C 适配器

备用模式是 Type-C 接口的功能扩展，允许 Display Port、PCIe 或其他通信协议使用 USB 3.1 SuperSpeed 通道。在适配器连接至兼容主机时进入备用模式。支持备用模式的配接器需要额外的预防措施和嵌入式设备。如果配接器不能进入备用模式，则必须通知主机，以避免隐蔽故障。通过布告牌设备来实现通知功能，在 USB Type-C PD 标准授权下，任何备用模式的配件都可作为布告牌设备。下面的方框图是将传统视频端口转为 Type-C 的线缆图。如果 Type-C 设备不支持传统视频格式，则 PD 控制器将通知布告牌设备，并且会将该故障依次通知 Type-C 设备。



USB Type-C 适配器线缆



USB Type-C 备用模式适配器线缆

扩展坞或集线器

扩展坞或集线器是比显示器/Type-C 转 Type-C 更为复杂的示例，必须支持多台设备充电功能。集线器可作为多种 Type-C 或 Type-A 端口、HDMI、PCIe 等接口的集合。该集线器需要多种嵌入式设备，从而成功支持连接设备。每个端口需要的电量不同，取决于连接什么设备。考虑到这一点，则每个端口都可能需要 PD 装置。

显示器、VGA 或 HDMI 等任何视频端口都将需要布告牌设备。另外，集线器需要可控制至主机流量的设备。此设计要求自从 Type-A 集线器以来没有多大变化，因为需防止通道产生冲突并确保一次仅有一台设备与主机进行通信。显然，之前的简单集线器现在需要更为复杂和严格的设计。



多重连接器 Type-C 集线器线缆

解决方案

所有增加的设计复杂性不仅仅是由开发人员来承担。Silicon Labs 提供开发板、PD 库、布告牌源代码以及针对配接器、扩展坞和设备端口的示例代码。通过在开发新 Type-C 设备时使用这些工具，客户可大幅减少 USB Type-C 的开发时间和工作量。

Silicon Labs 提供的开发板如下所示，可运行具有充电功能的 Vesa® DisplayPort™ 备用模式适配器。在此类设备的开发过程中，可通过允许电源（充电）和视频使用同一端口，进而增加主机上单一 Type-C 端口的功能。该开发板上有两个 PD 控制器（每个端口各有一个）以及随附于 DisplayPort 的布告牌设备。参考设计解决了以下问题：切换至备用模式、充电、通知主机发生故障，以及确保向显示端口和主机输送适当的电力。

较之于创建新平台并从头开始编写固件，从如图所示的开发板和提供的固件入手将会更容易且更快捷。借此，制造商和供应商可以领先竞争对手，推出功能更强大的 Type-C 解决方案。

Silicon Labs 的 MCU 与 Busy Bee 3 类似，借助 PD 功能在面积仅有 3x3 mm2的单芯片（具有精密振荡器、硬件 PD PHY 层）上简化了 Type-C 设计，从而为客户提供材料清单成本较低的 PD 解决方案。用于参考设计中的 UniversalBee 1 是一种可实现布告牌功能的单芯片解决方案。借助集成调节器、精密振荡器、USB 2.0 PHY 层和 USB 引脚上的±8KV 静电 (ESD) 防护措施，面积为 3x3 mm2的设备无需外部元件即可发挥布告牌功能。



总结

USB Type-C 将成为未来的通用标准。在放满线缆的抽屉里寻找合适的转换器或线缆的日子已经一去不复返。展望未来，选择接线时将考虑其端头是插头或插口，及是否可以传输更高的电量。市面上已经有只具备 Type-C 端口的智能手机、平板电脑和笔记本电脑，这些先锋的设备仅仅是个开始。也就是说，Type-C 需要嵌入式设备和固件，才能提供多种多样的功能，这为开发人员和制造商迁移设备带来了严峻的考验。Silicon Labs 提供参考设计、库、固件和支持团队，专门致力于为各种应用简化 Type-C 设计要求。