一文详解USB Type-C的知识点

USB Type-C ® 除了比其前身更快且能够提供更多功率外，还对这种无处不在的连接标准做出了一些明显的改变。一方面，有一个新的可逆连接器，它没有键控，因此可以向上插入端口。其次，USB Type-C 将看到电缆两端使用相同的连接器。

对于使用 USB Type-C 的用户来说，这意味着更大的便利性和灵活性。但对于我们这些参与构建将采用这一新标准的设备的人来说，它增加了一定程度的复杂性：我们用来连接设备的电缆和它们插入的端口不再只是简单的机电连接。相反，我们需要建立一定程度的智能来促进新功能。

在这篇文章中，我们将解释您需要了解的有关 USB Type-C 的所有信息：新特性、它可以做什么、它是如何工作的以及一些支持它的半导体套件。为了完全理解它，我们将首先了解 USB 的先前迭代以及 Type-C 是如何在这些迭代之上构建的。因此，将您的思绪带回到 1990 年代中期，我们开始了 USB 及其速度、电缆和连接器的演变之旅。

为了完全理解它，我们将首先了解 USB 的先前迭代以及 Type-C 是如何在这些迭代之上构建的。因此，将您的思绪带回到 1990 年代中期，我们开始了 USB 及其速度、电缆和连接器的演变之旅。

回顾：USB的历史

通用串行总线，即 USB 的全名，已经存在了近 20 年，现在广泛应用于从我们的计算机到汽车的各种电子设备中。虽然有 USB 1.0 版，但在 1.1 版中看到了计算机设备连接的大规模采用。USB 1.x 提供低速 （1.5Mbps） 和全速 （12Mbps） 数据速率，可用于从键盘、鼠标和操纵杆等输入设备到外部驱动器、扫描仪和打印机的所有设备。USB 1.x 电缆在主机端有一个公认的 Type-A 连接器，而一个方形的 Type-B 插头连接到外围设备。使用不同插头的原因是为了确保只能从主机向设备供电，从而防止两台计算机直接相互连接时可能发生的电气损坏。

USB 2.0 于 2000 年出现，并带来了显着的速度提升，提供 480Mbps 的数据速率以满足更高速度设备的需求。我们还看到了一系列新的连接器，主要是由于当时市场上的设备外形尺寸缩小，例如数码相机和手机。Mini-B 插头之后是更小的 Micro-A 和 Micro-B 连接器，这使得 USB 可以内置到更新的智能手机和平板电脑中，因为它们变得越来越薄。值得注意的是，较新的 Mini 和 Micro 连接器支持带有 Mini- 和 Micro-AB 插座的 USB On-The-Go （OTG）。OTG 使某些 USB 设备能够作为主机和外围设备工作。一个例子是智能手机，它可以作为计算机的外部存储设备，但也可以作为主机从另一个存储设备中提取数据，

2008 年引入了 USB 3.0，称为 SuperSpeed（或 SS），这要归功于其 5Gbps 的数据速率。由于 USB 3.0 规范包含在 USB 3.1 （2013） 中，SuperSpeed/5Gbps 现在通常被称为 USB 3.1 Gen 1。USB 3.1 标准还引入了 10Gbps 速度，当时作为 SuperSpeed+ 或 USB 3.1 Gen 2 销售。除了增强的速度之外，USB 3 还出现了另一个新的连接器：Micro-B SuperSpeed。由于各种插座和插头排列，它仍然向后兼容 USB 1 和 USB 2 的较低速度。

图 1. USB 时间线，截至 2014 年推出 USB Type-C。

（由 SlideShare 贡献者 Rainny Tu 提供）

除了速度的显着提高外，USB 标准的每次迭代都提高了它可以提供的功率量。USB 最初提供从主机（或另一个所谓的“上游”设备）到连接的“下游”设备的标称 5V 总线电源 （VBUS）。低功率下游设备的额定电流为 100mA （0.5W），高功率设备的额定电流为 2.5W。SuperSpeed 设备的额定功率为 0.75W（低功率）和 4.5W（高功率）。USB 还可用于为电池充电，通过从充电器、具有专用充电端口 （DCP） 或充电下游端口 （CDP） 的主机设备提供高达 25W 的功率，后者还提供数据信号。USB 电源的下一个发展是 2012 年 USB 电源传输 （PD） 规范。这使兼容的下游设备能够从兼容的主机设备请求更大的电源电压和电流。

USB Type-C 与其前代产品有何不同

由于 USB 已经存在了这么长时间，开发 USB Type-C 的人在接受之前所有规范的遗产时面临着重大挑战。USB Type-C 的最终规格仅在 USB 3.1 一年后出现，但发生了很多变化，尤其是新的可逆插头。就像 Apple 现在在 iPhone 和 iPad 中使用的 Lightning 连接器一样，您无需考虑插入 USB Type-C 插头的方式这一事实使其比其前身更加方便。然而，为了实现这一点，系统需要更高级别的智能来正确路由电源和数据信号。与 Lightning 不同，USB Type-C 不需要将这种智能内置到电缆本身中。相反，它允许有源和无源电缆。

USB Type-C 的连接器引脚数量大幅增加。类似尺寸的 Micro-USB 插头仅包含 5 个针脚，而 USB Type-C 则拥有 24 个针脚。这是为了使其能够以任何一种方式插入，并为未来的性能增强和新功能提供空间。

USB Type-C 中的新操作模式（例如备用模式和附件模式）形成了一种新的 USB 定义的创新方法。

此外，在电缆的两端具有相同的连接器意味着 USB Type-C 必须能够正确识别主机和外围设备，以确保整个总线按预期工作。由于需要支持可以执行任一角色的设备，这使情况变得复杂。

图 2. USB Type-C 连接器中的引脚分配图

（由 OFweek.com 提供）

USB Type-C 也见证了总线可以提供的功率水平的阶梯式变化。在 SuperSpeed 的最大功率为 4.5W 的情况下，Type-C 通过 VBUS 连接可达到 15W（通过 5V 时的 1.5A 和 3A 电流）。USB Type-C 支持 Power Delivery 2.0 规范，通过使用电子标记的有源 Type-C 电缆，或通过双相标记代码 （BMC） 编码的配置线。还有一个额外的电源通过未使用的 CC 引脚（CC1 或 CC2）为外部设备、有源电缆或电子标记电缆供电。

让 USB Type-C 工作

USB Type-C 需要大量的电路选项来支持其无数的功能模型。下面显示了一个这样的示例，其中设备通过全功能电缆连接到主机。由于电缆的端到端方向由 CC 线确定，您需要在任一端的端口中支持逻辑来识别它是翻转还是未翻转，以及电缆是直的还是扭曲的。因此，有四种潜在的数据路径：

直接未翻转：将 TX1 和 RX1 托管到设备 TX1 和 RX1，CC1 到 CC1

Twisted unflipped：主机 TX1 和 RX1 到设备 TX2 和 RX2 与 CC1 到 CC2

直接翻转：主机 TX2 和 RX2 到设备 TX2 和 RX2，CC2 到 CC2

扭曲翻转：主机 TX2 和 RX2 到设备 TX1 和 RX1，CC2 到 CC1

图 3. USB Type-C 实现的功能模型，使用全功能电缆。CC 线确定方向。（由 USB 实施者论坛 2015 提供）

连接引线后，选定的信号驱动器、接收器和开关/多路复用器将启动，但对于完整的 USB Type-C 实施，您需要所有这些都存在。令人高兴的是，您仍然可以在 USB Type-C 中使用许多最初为 USB 3.1 创建的多路复用器、接收器和驱动程序。请注意，您可能会在主机和设备端口中看到更多电路，例如驱动显示器所需的电路。

Diodes Incorporated 最近收购了 Pericom Semiconductor Corporation，现在提供范围广泛的组件和集成电路选择，使您能够通过 USB Type-C 连接器连接计算机、移动设备和其他设备。Diodes 在超高速 （10Gbps+） 信号切换和调节方面的开创性工作为创建 USB 3.1 Gen 1 和 USB 3.1 Gen 2 兼容设备奠定了基础。

下面，我们简要探讨三个用例，如图所示。

笔记本电脑、平板电脑和个人电脑

在此示例中，位于 USB Type-C 连接器和主机设备的 I/O 集线器之间的是一个 Type-C 交叉开关 （ PI3USB31532 ），它可以通过 USB 类型切换 USB 3.1 Gen 1、Gen 2 和 DisplayPort 1.2 和 1.3 -C 连接器。在 USB 端，它连接到一个PI3EQX1002B ReDriver，由于它能够减少符号间干扰，它可以优化各种物理介质的性能。

Diodes 组件为主机端和设备端提供多种充电和控制解决方案，包括过温和过压保护以及通过 Type-C 插头提供高达 100W 的充电能力。

在此示例中，请注意PI5USB2546A主机端充电控制器及其内置高速数据线（D+ 和 D-）。这有助于睡眠模式充电，并使您能够通过键盘或鼠标唤醒设备。在设备端，有一个PI3USB9281C，提供对不同类型充电器或 OTG 配件的外部检测。这部分包括过流和过压保护。

图 4. USB Type-C 的笔记本电脑、平板电脑或 PC 实施示例。

电话

在智能手机中，我们使用PI5USB30213A开关将 Type-C 端口与主芯片组连接起来。该组件使设备能够充当主机、外围设备和双重角色模式。配置是自动的，基于在 CC 引脚上检测到的电压。

图 5. 智能手机中 USB Type-C 的实现。

坞站

最后一个示例是通用扩展坞，它通过单个 USB Type-C 导线连接到上游主机。它承载 USB 3 和 DisplayPort 信号，以及为主机供电。在扩展坞的 USB 端，有一个 PI3USB31532 Type-C 交叉开关、PI3EQX1002B ReDriver 和一个 USB 3 集线器。为了使扩展坞能够通过 VBUS 向主机供电，还有一个电源开关。

图 6. 同时为主机设备供电的 USB Type-C 通用扩展坞。

结论

随着 Type-C 的出现，无处不在的计算连接标准 USB 被赋予了新的生命。凭借其更小、可逆的连接器、高数据速率和总线功率，Type-C 的创造者希望它能显着延长 USB 已经长达 20 年的使用寿命。但与多年来逐步发展的任何技术标准一样，在向后兼容性方面存在很多挑战。通过将智能融入物理端口并包括使用有源电缆，USB Type-C 克服了这些障碍。

但要处理种类繁多的主机和外围设备功能，那些构建 USB Type-C 实现的人仍然需要高性能和低成本的集成电路 （IC） 和其他组件，例如 Diodes 的 Pericom 产品提供的那些。