Type-C協(xié)議簡介（CC檢測(cè)原理）
作者：AirCity 2019.12.15
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1 簡介

越來越多的手機(jī)開始采用Type-C作為充電和通信端口，Type-C連接器實(shí)物和PIN定義如下圖：

Type-C連接器中有兩個(gè)管腳CC1和CC2，他們用于識(shí)別連接器的插入方向，以及不同的插入設(shè)備。本文介紹CC的基本識(shí)別原理。

先介紹幾個(gè)概念：
DFP——Downstream Facing Port，也就是Host
UFP——Upstream Facing Port，也就是Device
DRP——Dual Role port，既可以做DFP，也可以做UFP。

在建立連接之前，DRP的角色在DFP和UPF之間切換。如果兩個(gè)DRP連接，最先隨機(jī)到那種角色后開始建立連接，之后可以通過USB協(xié)議協(xié)商進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。

2 為什需要CC檢測(cè)

雖然USB Type-C插座和插頭的兩排管腳對(duì)稱，USB數(shù)據(jù)信號(hào)都有兩組重復(fù)的通道，但主控芯片通常只有一組TX/RX和D+/-通道（某些芯片有兩組TX/RX和D+/-通道）。

由于USB2.0的數(shù)據(jù)率最高只有480Mbps, 可以不考慮信號(hào)走線的阻抗連續(xù)性，USB2.0的D+/-信號(hào)可以不被MUX控制而直接從主控芯片走線，然后一分二連接至USB Type-C插座的兩組D+/-管腳上。

但USB3.0或者USB3.1的數(shù)據(jù)率高達(dá)5Gbps或者10Gbps，如果信號(hào)線還是被簡單地一分二的話，不連續(xù)的信號(hào)線阻抗將嚴(yán)重破壞數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，因此必須由MUX切換來保證信號(hào)路徑阻抗的一致性，以確保信號(hào)傳輸質(zhì)量。

下圖中右側(cè)所示的MUX從TX1/RX1和TX2/RX2中選擇一路連接至主控芯片，而這個(gè)MUX就必須被CC管腳控制。

在USB2.0應(yīng)用中，無需考慮CC方向檢測(cè)問題，但USB3.0或者USB3.1應(yīng)用中，必須考慮CC方向檢測(cè)問題。

注意UFP，比如U盤，移動(dòng)硬盤內(nèi)部不需要CC邏輯檢測(cè)，因?yàn)樗巧闲?，只有一?duì)USB2.0或USB3.0信號(hào)，如下圖

3 CC檢測(cè)原理

CC信號(hào)有兩根線，CC1和CC2，大部分USB線（不帶芯片的線纜）里面只有一根CC線，DFP可根據(jù)兩根CC線上的電壓，判斷是否已經(jīng)插入設(shè)備。通過判斷哪根CC線上有下拉電阻來判斷方向，下圖的說明已經(jīng)非常清晰。

如果CC1引腳檢測(cè)到有效的Rp/Rd連接（對(duì)應(yīng)的電壓），則認(rèn)為電纜連接未翻轉(zhuǎn)。
如果CC2引腳檢測(cè)到有效的Rp/Rd連接（對(duì)應(yīng)的電壓），則認(rèn)為電纜連接已翻轉(zhuǎn)。

“有效的Rp/Rd連接”指在CC上形成了有效的電壓。
從DFP的角度看，下表列出了所有可能的連接狀態(tài)，

以上只是介紹了CC檢測(cè)中判斷是否翻轉(zhuǎn)的原理，兩個(gè)CC信號(hào)還有向UPF通告DFP提供電流能力的功能等，見下文。

3.1 DFP的上拉電阻Rp

DFP的CC1和CC2信號(hào)上都必須有上拉電阻Rp，上拉到5V或3.3V?；蛘逤C1和CC2都用電流源上拉。最終的目的是在插入后，能檢測(cè)到CC1或CC2上的電壓，進(jìn)而判斷是否翻轉(zhuǎn)以及DFP的電流能力。如下是所有可能的配置?？梢赃x擇右邊三列中的任何一列作為上拉方式，比如Fairchild的FUSB300就是用330uA上拉，TI的TUSB320LAI用的是80uA的上拉，不同的上拉方式在CC引腳上形成的電壓不同，不同的電壓對(duì)應(yīng)不同的電流能力。

3.2 UPF的Rd

UFP的CC1和CC2管腳都要有一個(gè)下拉電阻Rd到GND（或者使用電壓鉗位）。Rd的處理方式如下表。

注意，最后一列的電流源連接至的電壓，是指3.1節(jié)中表格的最后一列電流源的上拉電壓。
結(jié)合這個(gè)表格，和3.1節(jié)的表格，我們把每種可能的上下拉范圍都計(jì)算出了最終形成的電壓范圍，如下表。

CC檢測(cè)芯片會(huì)檢測(cè)這個(gè)電壓，通過判斷電壓范圍來決定下一步操作。下表是CC管腳上不同的電壓對(duì)應(yīng)的DFP能提供的電流能力。第二列列出的每一種電壓范圍，都分別覆蓋了上表計(jì)算出的電壓。Rp/Ra的計(jì)算是同理的。

3.3 數(shù)據(jù)線上的Ra

帶電子標(biāo)簽的線纜，其中一個(gè)CC管腳被更名為VCONN，用于給電子標(biāo)簽芯片供電。這個(gè)VCONN管腳與GND之間需要一個(gè)Ra電阻，這個(gè)電阻值范圍是800Ω~1.2KΩ。

3.4 VCONN電源

VCONN的允許范圍是4.75V~5.5V，要求供電能力是1W。默認(rèn)情況下DFP提供這個(gè)電源。如果兩個(gè)DRP連接，則雙方可以通過USB PD協(xié)議協(xié)商來交換VCONN供電方。
支持PD的USB3.0接口均需支持VCONN，可以通過下面兩種方式之一提供VCONN電源。

1. 如果其中一個(gè)CC引腳上檢測(cè)到有效的Rp/Rd連接，則VCONN電源可以接到另一個(gè)對(duì)應(yīng)的CC引腳。
2. 如果其中一個(gè)CC引腳上檢測(cè)到有效的Rp/Rd連接，先檢查另一個(gè)CC引腳是否也有Rp/Ra連接，然后再提供VCONN。
3. 先檢測(cè)是否有Ra存在，如果有說明需要Vconn供電，此時(shí)再提供Vconn。檢測(cè)過程不需要Vconn存在。
   注意，每一個(gè)CC引腳內(nèi)部都有一個(gè)開關(guān)，輪訓(xùn)CC和VCONN功能，下圖是一個(gè)典型的連接方式：
   
   

4 手機(jī)都是DRP

現(xiàn)實(shí)中，我們的手機(jī)都是DRP，既能做DFP，又能做UFP，那么是如何切換呢？
DRP在待機(jī)模式下每50ms在DFP和UFP間切換一次。當(dāng)切換至DFP時(shí)，CC管腳上必須有一個(gè)上拉至VBUS的電阻Rp或者輸出一個(gè)電流源，當(dāng)切換至UFP時(shí)，CC管腳上必須有一個(gè)下拉至GND的電阻Rd。此切換動(dòng)作必須由CC Logic芯片來完成。當(dāng)DFP檢測(cè)到UFP插入之后才可以輸出VBUS，當(dāng)UFP拔出以后必須關(guān)閉VBUS。此動(dòng)作必須由CC Logic芯片來完成。下面是一個(gè)CC邏輯芯片框圖，CC上有一個(gè)開關(guān)，在不斷切換功能。

5 USB Power Delivery 2.0

這個(gè)是由USB-IF制定的單線協(xié)議，在CC線上傳輸，用于協(xié)商供電角色，電壓，最大供電能力，數(shù)據(jù)角色，備用模式等，端口與供電電纜之間的通信業(yè)通過PD協(xié)議進(jìn)行。協(xié)議不做展開，詳見USB-IF官網(wǎng)。下面是協(xié)議的幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 所有通信均通過CC線。
2. DFP是總線主設(shè)備，用于發(fā)起所有通信。
3. 所有消息均采用32bit 4b/5b編碼的雙向標(biāo)記編碼（Bi-phase Mark Coded，BMC）
4. 300K波特率
5. CRC32錯(cuò)誤檢驗(yàn)+消息重試

6 Type-C線纜規(guī)范

1. 線纜至少支持10000次拔插。
2. 不規(guī)定信號(hào)線規(guī)，但是必須保證USB2.0和USB3.0的信號(hào)完整性
3. CC和SUB1/SUB2線上的阻抗不大于50Ω
4. GND返回路徑上的最大IR壓降為250mV
5. Vbus上的最大IR壓降為500mV
6. USB Type-C規(guī)范中并未明確規(guī)定線纜長度，但是電器要求產(chǎn)生了一些物理限制。USB3.1 Type-C轉(zhuǎn)Type-C電纜組件在5GHz下的插入損耗指定為為-6dB，從而將電纜長度有效限制為1米。USB3.0 Type-C轉(zhuǎn)Type-C電纜組件在5GHz下的插入損耗指定為為-7dB，從而將電纜長度有效限制為2米。
   
   

7 帶電子標(biāo)簽的Type-C數(shù)據(jù)線

如果Type-C數(shù)據(jù)線上帶了芯片（我們稱之為電子標(biāo)簽），這個(gè)芯片可以通過USB供電規(guī)范2.0 BMC協(xié)議與USB端口通信。電子標(biāo)簽電纜可用VCONN供電，也可以直接由Vbus供電，最高可消耗70mW的功率。如下類型的電纜必須要電子標(biāo)簽：

1. 兼容USB3.1的USB Type-C電纜
2. 100W供電電纜。能夠?qū)崿F(xiàn)60W以上功率承載能力的任何電纜都必須有電子標(biāo)簽，并且能夠與DFP端口通信。
   帶電子標(biāo)簽的電纜如果插入不支持USB供電規(guī)范2.0的插座中，其行為與標(biāo)準(zhǔn)的無源電纜完全相同。

8 音頻配件模式

8.1 數(shù)字耳機(jī)

Type-C接口的數(shù)字耳機(jī)是一個(gè)UFP（Device），手機(jī)是DFP。耳機(jī)的CC1和CC2引腳上必須有Rd，實(shí)際上，樂視數(shù)字耳機(jī)的CC管腳上有一顆5.1K電阻。

8.2 模擬耳機(jī)

協(xié)議要求模擬耳機(jī)轉(zhuǎn)接線上把兩個(gè)CC引腳直接接到GND（必須小于Ra）。