在当今电子设备飞速发展的时代,Type-C 接口凭借其双面插拔与高扩展性的显著优势,已广泛应用于手机、笔记本电脑等众多消费电子产品中。Type-C 连接器中有两个关键管脚 CC1 和 CC2,它们在识别连接器的插入方向以及不同插入设备方面发挥着重要作用。本文将深入介绍 CC 的基本识别原理。
在了解 CC 检测原理之前,先明确几个重要概念。DFP(Downstream Facing Port)即主机端,UFP(Upstream Facing Port)为设备端,而 DRP(Dual Role port)则既可以充当 DFP,也能扮演 UFP 的角色。在建立连接之前,DRP 的角色会在 DFP 和 UPF 之间进行切换。若两个 DRP 连接,随机确定角色后开始建立连接,之后还可通过 USB 协议协商进行动态切换。
那么,为什么需要 CC 检测呢?Type-C 接口管脚对称,数据通道有两路,但多数主控只有一组 TX/RX 和 D+/-。对于 USB2.0,由于其速率较低,D+/- 可直接一分为二接到插座,无需 MUX;而 USB3.0/3.1 速率高,一分二会破坏阻抗连续性,必须由 MUX 从两路中选一路接主控,且 MUX 由 CC 管脚控制。因此,USB2.0 无需 CC 方向检测,而 USB3.0/3.1 则必须进行检测。需要注意的是,UFP 如 U 盘、移动硬盘内部不需要 CC 逻辑检测,因为它是上行设备,只有一对 USB2.0 或 USB3.0 信号。
CC 检测原理方面,CC 信号有 CC1 和 CC2 两根线,大部分不带芯片的 USB 线里面只有一根 CC 线。DFP 可根据两根 CC 线上的电压,判断是否已经插入设备,并通过判断哪根 CC 线上有下拉电阻来确定方向。如果 CC1 引脚检测到有效的 Rp/Rd 连接(对应的电压),则认为电缆连接未翻转;如果 CC2 引脚检测到有效的 Rp/Rd 连接(对应的电压),则认为电缆连接已翻转。“有效的 Rp/Rd 连接” 指在 CC 上形成了有效的电压。从 DFP 的角度看,有多种可能的连接状态。此外,两个 CC 信号还具有向 UPF 通告 DFP 提供电流能力的功能。
具体来说,DFP 的 CC1 和 CC2 信号上都必须有上拉电阻 Rp,上拉到 5V 或 3.3V,或者使用电流源上拉。不同的上拉方式在 CC 引脚上形成的电压不同,不同的电压对应不同的电流能力。UFP 的 CC1 和 CC2 管脚都要有一个下拉电阻 Rd 到 GND(或者使用电压钳位)。结合上下拉电阻的设置,CC 检测芯片会检测 CC 管脚上的电压,通过判断电压范围来决定下一步操作。
带电子标签的线缆中,一个 CC 管脚被更名为 VCONN,用于给电子标签芯片供电,VCONN 管脚与 GND 之间需要一个 800Ω~1.2KΩ 的 Ra 电阻。VCONN 的允许范围是 4.75V~5.5V,要求供电能力是 1W,默认情况下由 DFP 提供这个电源。如果两个 DRP 连接,则双方可以通过 USB PD 协议协商来交换 VCONN 供电方。
在实际应用中,手机通常都是 DRP,既能做 DFP,又能做 UFP。DRP 在待机模式下每 50ms 在 DFP 和 UFP 间切换。当切换至 DFP 时,CC 管脚上必须有一个上拉至 VBUS 的电阻 Rp 或者输出一个电流源;当切换至 UFP 时,CC 管脚上必须有一个下拉至 GND 的电阻 Rd。此切换动作以及 DFP 输出 VBUS 和 UFP 拔出后关闭 VBUS 的动作都必须由 CC Logic 芯片来完成。
USB Power Delivery 2.0 是由 USB-IF 制定的单线协议,在 CC 线上传输,用于协商供电角色、电压、供电能力、数据角色、备用模式等,端口与供电电缆之间的通信也通过 PD 协议进行。该协议具有所有通信均通过 CC 线、DFP 是总线主设备用于发起所有通信、所有消息均采用 32bit 4b/5b 编码的双向标记编码(Bi-phase Mark Coded,BMC)、300K 波特率、CRC32 错误检验 + 消息重试等特点。
Type-C 线缆规范方面,线缆至少要支持 10000 次拔插,虽不规定信号线规,但必须保证 USB2.0 和 USB3.0 的信号完整性。CC 和 SUB1/SUB2 线上的阻抗不大于 50Ω,GND 返回路径上的 IR 压降为 250mV,Vbus 上的 IR 压降为 500mV。USB Type-C 规范中并未明确规定线缆长度,但电器要求产生了一些物理限制,如 USB3.1 Type-C 转 Type-C 电缆组件在 5GHz 下的插入损耗指定为 - 6dB,从而将电缆长度有效限制为 1 米;USB3.0 Type-C 转 Type-C 电缆组件在 5GHz 下的插入损耗指定为 - 7dB,从而将电缆长度有效限制为 2 米。
如果 Type-C 数据线上带了芯片(电子标签),这个芯片可以通过 USB 供电规范 2.0 BMC 协议与 USB 端口通信。电子标签电缆可用 VCONN 供电,也可以直接由 Vbus 供电,可消耗 70mW 的功率。兼容 USB3.1 的 USB Type-C 电缆以及 100W 供电电缆等必须要有电子标签,并且能够与 DFP 端口通信。带电子标签的电缆如果插入不支持 USB 供电规范 2.0 的插座中,其行为与标准的无源电缆完全相同。
在音频配件模式方面,Type-C 接口的数字耳机是一个 UFP(Device),手机是 DFP,耳机的 CC1 和 CC2 引脚上必须有 Rd,例如乐视数字耳机的 CC 管脚上有一颗 5.1K 电阻。协议要求模拟耳机转接线上把两个 CC 引脚直接接到 GND(必须小于 Ra)。
