调试 USB Type-C 和 USB 供电系统设计

使用 USB Type-C 等高速接口设计稳健的系统需要格外小心。当接口涉及 USB 供电等功能时，调试设计变得更加复杂。虽然可以通过确认消息是否准确发送和接收来验证系统，但可能会出现许多使验证复杂化的问题。

例如，使用 USB 供电时，两个设备必须完成电源合同协商以确定设备之间将传输多少功率。但是，如果在协商过程中出现错误，则调试过程可能会非常困难，除非您实际上可以实时捕获信号数据并在 USB 协议的上下文中查看它们。

在与其他制造商的设备通信时，信号的可见性也很重要。由于 USB Type-C 在一个连接器中结合了数据、电源和视频，识别 Type-C 端口的实际功能可能具有挑战性，例如它是电源还是接收器，它提供或需要什么电源功能, 以及它是否支持交替模式。通过信号可见性，查看设备的实际行为是一个简单的过程。开发人员还可以在电气和消息级别验证配置通道 (CC) 上的通信。

为帮助开发人员，可以使用 USB Type-C/PD 分析器，例如赛普拉斯的CY4500 EZ-PD 协议分析器。协议分析器可以在配置通道（CC 线路）上以非侵入式方式探测和捕获 USB-PD 协议消息。本文介绍了使用协议分析器的调试技术，可以加速基于 USB-PD 的设计的开发。除了设计和调试之外，分析器还有助于帮助开发人员理解 USB-PD 协议。有关 USB Type-C 和电力传输协议的基础信息，请参阅USB Type-C 和电力传输：101。

Cypress 的 CY4500 EZ-PD TM协议分析器套件（见图 1）等协议分析器支持对USB-PD和USB Type-C规范的分析。它们以不会对实时通信产生负面影响的非侵入方式捕获 CC 线路上的 USB-PD 消息。该分析仪由赛普拉斯的可编程 MCU ( PSoC 5LP)，它监视 CC 线路（USB Type-C 连接器）上的数据，并通过 USB 接口将此数据发送到主机应用程序 EZ-PD Analyzer Utility。此分析仪上的 USB Type-C 插头和插座为在每个 USB-PD 连接之间传输的 CC 消息提供直通。可编程 MCU 在不干扰系统的情况下获取这些 CC 消息，并通过 USB 接口将它们传输到运行 CY4500 EZ-PD 协议分析器的 PC ，CY4500 EZ-PD 协议分析器是一种捕获 USB-PD 跟踪和显示的工具（见图 2）。

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图 1：USB-PD Type-C 协议分析器套件 (CY4500 EZ-PD)

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图 2. EZ-PD Analyzer Utility 用户界面

协议分析仪可轻松对任何 USB Type-C 和 USB PD 系统进行电气级和协议级调试和分析。该分析仪通过连接到 PC 的 USB 接口供电，包括用于探测 USB Type-C 信号（CC 线、VBUS 和 SBU 线）的连接器接头。分析仪可以触发 GPIO 集，用于特定（或组合）USB PD 事件的定时测量。分析仪对 CC 端接的支持允许模拟 USB Type-C 源/接收器/电缆进行测试，而无需连接到另一个 USB Type-C 设备。

在 PC 端，图形用户界面 (GUI) 可以在任何 USB Type-C 系统的协议级别轻松捕获、离线分析和调试 USB PD 消息。GUI 简化了 CY4500 板上 GPIO 的触发集，用于特定（或组合）USB PD 事件的定时测量。开发人员还可以轻松启用和禁用 CY4500 板上的 CC 终端，以模拟 USB Type-C 源/接收器/电缆，以便于测试。开发人员还可以轻松搜索和过滤消息，以加快问题识别和解决速度。

使用 USB-PD 协议分析仪进行调试

要探测未连接的 USB Type-C 端口的 USB Type-C 信号，协议分析仪的 USB Type-C 插座（或 Type-C 插头）必须连接到 USB Type-C 插头（或 USB Type-C被测设备 (DUT) 的插座），如图 3 所示。USB Type-C 信号被带到可用于探测示波器信号的接头上。

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图 3. 用于调试处于分离状态的 USB Type-C 端口的协议分析器设置

为了探测 USB Type-C 信号或捕获配置通道上的 USB PD 消息（Type-C 端口上的 CC 线），协议分析仪必须连接在两个 USB Type-C 端口之间，如图 4 所示。分析仪向 PC 上运行的协议分析器实用程序发送信号，以捕获和解码来自 USB Type-C 端口的 USB PD 消息。

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图 4. 用于调试处于连接状态的 USB Type-C 端口的协议分析器设置

了解 USB Type-C 信号

USB Type-C DFP – 未连接状态

在默认状态下，下游端口 (DFP) 是电源，因此应该在其 CC 线上暴露 R p终端（上拉）。如果 DFP 设备有一个 Type-C 插座，那么它的两条 CC 线都应该暴露 R p终端，如图 5 所示。有关 R p要求的更多详细信息，请参阅USB-PD 规范。

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图 5. 带有 USB Type-C 插座的独立 USB Type-C DFP

如果 DFP 设备具有 USB Type-C 插头，则 Rp 终端应暴露在其 CC 线上，而 VCONN 应接地（参见）。

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图 6. 带有 USB Type-C 插头的独立 USB Type-C DFP

USB Type-C UFP – 未连接状态

在默认状态下，带有 USB Type-C 插座或 USB Type-C 插头的上游面向端口 (UFP) 是电源吸收器，因此应该在其 CC 线上暴露 R d 终端（下拉），如所示. 有关 R d要求的更多详细信息，请参阅USB-PD 规范。

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图 7. 未连接的 USB Type-C UFP

USB Type-C DRP – 未连接状态

双角色端口 (DRP) 设备初将在 DFP（通过连接 R p并断开 R d）和 UFP（通过断开 R p和连接 R d ）操作之间切换其状态，如图 8 和图 9 所示。

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图 8. 带有 Type-C 插座的独立 Type-C DRP

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图 9. 带 Type-C 插头的独立 Type-C DRP

USB Type-C 连接状态

当一个 DFP 和一个 UFP 或两个 DRP 连接在一起时，它们接受由此产生的 DFP 到 UFP 关系（在 DRP 的情况下随机实现），并在其中一条CC 线上形成成功的 R p -R d分压器. 这表明 Type-C 连接已建立（参见图 10 和图 11）。例如，此处形成的 CC 值是由于DFP 侧的 R p = 12k分压器被拉至 3.3V 而UFP 侧的R d = 5.1k 的分压器形成的，从而产生大约 900 mV 的电压。

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图 10. USB 设备和主机之间的直接 USB Type-C 连接（无 EMCA 电缆）

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图 11. USB Type-C 连接（无 EMCA）——翻转

CC 线的状态取决于连接到 USB Type-C 插座的 USB Type-C 插头的方向。另一条 CC 线（或 V CONN信号）的状态取决于分析仪连接到哪一端以及是否使用 EMCA [1] 进行连接。图 10 和图 11 显示了没有 EMCA 时的波形捕获。图 12 是在 DFP 和 UFP 之间使用 EMCA 的 USB Type-C 连接的波形捕获（如图 13 所示）。

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图 12. USB Type-C 连接（带 EMCA）

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图 13. USB Type-C 与 EMCA 的连接

了解 USB-PD 协议

观察基本 USB-PD 契约

作为 USB 电力传输协商过程的结果，端口合作伙伴之间达成了明确的电力合同或协议。供电协商是使用 PD 消息执行的，如USB-PD规范所定义，通过 USB Type-C 连接中的 CC 线。

图 14 显示了在 USB 供电协商过程中通过 CC 线在 DFP 和 UFP 之间传输的 USB PD 消息。USB PD 使用 BMC（双相标记编码）信号进行 PD 通信。有关 BMC 的更多详细信息，请参阅USB-PD规范。

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图 14. USB PD BMC 信号

图 15 显示了作为 DFP（电源/电源供应商）的 29W USB-C 电源适配器与锁定为一个 UFP（接收器/功耗器）。

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图 15. USB-C 电源适配器的电源数据对象 (PDO)

在电源协商阶段，USB Type-C 源（此处为 29W Type-C 电源适配器）向连接的 USB Type-C 接收器发送“Source Capability”消息。图 15 中的 Source Capabilities 消息显示了 Type-C 电源适配器支持的自定义电源数据对象 [2]（PDO——在图 15 中突出显示为 Power Data Obj Source 1 和 Power Data Obj Source 2）：

• 功率数据对象源 1 (SRC PDO1)：5V，2.4A
• 功率数据对象源 2 (SRC PDO2)：14.8V，2A

“Source Capabilities”消息之后的“Request”消息，由 sink 发送，根据所需的 Sink PDO 请求功率。从可以看出，sink在object位置2请求Source PDO，即SRC PDO2。

USB Type-C 源随后接受（使用接受消息）并发送 PS_RDY 消息作为源已准备好开始在 V BUS 上提供新功率电平的指示。因此，与向消费设备的 Type-C 端口提供 14.8 V 的 USB Type-C 电源适配器建立 14.8 V 的电源合同。

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图 16. 电力消费者基于其接收器 PDO 发送的请求消息

电力合同建立时的电压也可以通过Vbus列针对实用程序中显示的PS_RDY 消息和Vbus Volt文本框的值进行验证（如中突出显示的那样）。

USB PD 规范极大地改善了 USB 生态系统并定义了独立于数据角色（USB 主机和 USB 设备）的电源角色（VBUS Source 和 Sink）。这包括独立交换电源和数据角色的能力。有关角色交换（数据角色和电源角色）概念的更多详细信息，请参阅文章USB Type-C 和供电：101 。

图 17 显示了一个成功的 PR_SWAP 消息序列。可以看出，在 PR_SWAP 之后，重新协商发生在新源发出源能力的情况下。可以看出，在 PR_SWAP 成功之后，USB Type-C 端口只会更改其电源角色，而不会更改其数据角色。

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图 17. PR_SWAP 消息序列

图 18 显示了一个成功的 DR_SWAP 消息序列，之后没有发生电源重新协商。可以看出，USB Type-C 端口只会更改其数据角色，而不会更改其电源角色。还可以注意到，即使在 DR_SWAP 之后，在 DR_SWAP 之前协商的电力合同（在本例中为 14.8V 合同）仍然保持不变。

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图 18. DR_SWAP 消息序列

交替模式是一种功能，可实现 USB Type-C 信号的多用途，以供交替使用，例如 DisplayPort (DP)、HDMI 和 Thunderbolt。有关 DP over USB Type-C 的协议方面的更多详细信息超出了本文的范围。有关详细信息，请参阅 VESA DisplayPort (DP) 标准和 USB Type-C 标准上的 VESA DisplayPort Alt 模式。

图 19 显示了支持 DP 的 USB Type-C 显示器 (UFP) 和 USB Type-C 笔记本电脑 (DFP) 之间成功的替代模式（显示端口 – DP）协商。DFP 支持查询 UFP 以了解其备用模式功能。随后，DFP 发出“进入模式”消息，指示 UFP 进入显示端口模式（显示数据将通过 Type-C 连接器的超高速线路传输）。图 19 仅突出显示一条消息，其中 UFP 将支持的替代模式为显示端口。

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图 19. 显示端口（备用模式）协商

识别 EMCA 的存在

图 20 显示的迹线有助于识别标记芯片（表示 EMCA）是否存在于连接在 DFP 和 UFP 之间的 USB Type-C 电缆上（如图 13 所示）。如果存在 EMCA，则电缆标记芯片会响应来自 DFP 的 SOP' (SOP_PRIME) 消息，提供电缆功能。有关 SOP 通信和 EMCA 的更多详细信息，请参阅文章：设计 Type-C 电子标记电缆和设计 USB 3.1 Type-C 电缆。

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图 20. 显示端口（备用模式）协商

使用 CY4500 解决问题 – 示例

CRC 错误或其他数据包字段错误，如 EOP（数据包结束），可以在捕获的轨迹上轻松识别，因为这些消息以红色突出显示，如图 21 所示。

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图 21. 错误的数据包传送

如果在 USB Type-C 连接上发现许多此类 CRC 错误，则问题可能出在 CC 线路的信号质量上，然后可以使用示波器在接头上进行探测。

图 22 显示了一个示例场景，其中未看到 UFP/Sink 响应 DFP/Source 发送的 Source_Capabilities 消息。根据 PD 协议，源 (DFP) 重试 Source_Capabilities 消息，当超时（由 USB-PD 规范定义）到期时，总线上会出现硬重置（由 DFP 或 UFP 发送）。协议分析器实用程序显示与计时相关的信息，这有助于分析哪个设备在指定的超时方面违反了 USB PD 规范。超时到期可能是由于 USB PD 消息由于信号质量差或没有 USB Type-C 连接而实际上未到达 USB Type-C 接收器 (UFP)。

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图 22. 无响应的接收器

图 23 和图 24 显示了一个示例场景，其中建立了较低电压（在本例中为 5V）的电力合同，尽管电源有能力提供更多电力。在图 23 中，source 宣传支持 5V 和 14.8V PDO，其中 Sink 在图 24 中仅选择 5V，因为 sink 不支持 14.8V 的 Sink PDO。

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图 23. 支持更高 PDO 的源的 5V 合约 – 1

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图 24. 支持更高 PDO 的源的 5V 合约 – 2

显示器 (DP) 无法通过 USB Type-C 工作

有时，能够提供电源的 USB Type-C 显示器（即 DRP）可能会在连接到 USB Type-C 笔记本电脑时初锁定为 DFP/源。对于通过 USB Type-C 工作的显示器（USB Type-C 笔记本作为 DP 源，USB Type-C 显示器作为 DP Sink），显示器应该作为 UFP，为此它需要一个成功的 DR_SWAP。图 25 显示了电力合同成功的一个示例场景。然而，DR_SWAP 被初锁定为 UFP/接收器的 USB Type-C 设备拒绝（在我们的示例中为 Type-C 笔记本电脑。如果 Type-C 笔记本电脑未成功实现 DR_SWAP 序列（如图 25 所示） )，则 DP 将不起作用。

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图 25. DR SWAP 被拒绝

随着 USB Type-C 和 USB 供电规范的不断发展，市场上可能会出现许多过早（或不完全兼容）的设备，这些设备会表现出此处和其他地方所述的错误行为。在这种情况下，协议分析器可以作为快速调试和分析的便捷工具。