USB type C: новые возможности и принцип работы порта


Порт USB является неотъемлемой частью современных компьютеров, и количество подключенных устройств, таких как мышки, клавиатуры, принтеры, камеры, GSM-модемы, массовые запоминающие устройства, программаторы, отладчики, зарядные устройства, постоянно растет. И вот недавно появился новый модернизированный стандарт – USB type C. В сочетании с новой спецификацией согласования условий питания подключенного устройства Power Delivery (PD) он значительно улучшает связь и упрощает подачу питания через него.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Интерфейсы в электронике и USB тип C

Штекер Type-C имеет толщину 2,4 мм и ширину 8,3 мм, что позволяет разместить его между 1,8 мм USB micro-B и 4,5 мм USB Type A. Еще одна важная вещь – подключение работает корректно даже после поворота штекера в гнезде на 180 °. USB-C имеет 24 контакта, в то время как традиционный USB 2 – 4, а USB 3 – 9 контактов.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Реверсивные разъемы USB-C

USB-C позволяет передавать данные по одному кабелю по различным протоколам, таким как Display Port, PCI Express или Thunderbolt, а скорость передачи вдвое выше чем у USB 3.0, и достигает 10 Гбит / с в режиме USB 3.1 SuperSpeed. Разъем USB Type-C может обеспечивать мощность до 100 Вт, что тоже заметно выше.

Сигналы в USB тип C

Вот стандартные подключения линий CC DFP / UFP. Подключение вилки типа C (например, флешки) к разъему DFP (например, ноутбука).

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Стандартные подключения линий CC DFP / UFP

Разъем USB Type-C содержит обе шины данных для версии 3.1 (линии TX и RX) и USB 2.0 (линии D + и D-), шину питания USB (V BUS), землю (GND), сигналы связи канала конфигурации (CC1) и CC2), и пара вспомогательных сигналов (SBU), необходимых для поддержки альтернативного режима.

Для обеспечения обратимости подключения штекер и гнездо полностью симметричны. Все силовые, заземляющие и сигнальные контакты удвоены в соответствии с осью симметрии в нижнем и верхнем рядах соответственно, так что они совпадают друг с другом при развороте. Но в штекере есть только один вывод CC, подключенный к той же линии на гнезде.

Вторая (симметрично расположенная) линия была заменена линией V CONN, предназначенной для питания активной микросхемы идентификации кабеля (E-mark), которая требуется при высоких мощностях. Когда вилка Type-C перевернута:

Контакты GND, линии USB 2.0 и шина V BUS сохраняют соединения, потому что соответствующие контакты в верхнем и нижнем ряду удваиваются в гнезде и соприкасаются друг с другом в обоих положениях вилки.

контакты V CONN и линии CC в штекере подключаются к контактам CC1 и CC2 гнезда соответственно, в зависимости от ориентации штекера.

одна из двух дорожек USB 3.1 получает правильное соединение, которое должно быть правильно настроено контроллером.

Порты USB Type-C

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Подключение выводов CC порта DRP

Технические характеристики USB-C и Power Delivery определяют разные порты назначения в зависимости от потока данных (данные о характеристиках) и условий подачи PD (функция питания).

Порты по функциям данных:

  • Выходной порт (DFP), который обычно является хост-портом USB-C, например ПК или концентратор, к которому подключено устройство.
  • Восходящий порт (UFP): порт USB типа 2 для устройства (например USB-накопитель, USB-монитор или USB-мышь) или концентратор для подключения к USB-хосту.

Порты по ролям мощности:

  • Источник питания (Source): это порт USB с питанием по шине (V BUS)
  • Приемник: это устройство с питанием от шины USB (V BUS).

Спецификация USB Power Delivery также определяет двойную функцию устройства (приемник и источник) Dual Role Port (DR P). Его можно динамически изменять в процессе работы.

Коннект и ориентации штекера

Спецификация USB тип C определяет метод передачи сигналов контроллеру о функции, выполняемой устройством, и его возможностях. Это делается с помощью резисторов, прикрепленных к линиям конфигурации, которые создавая делитель напряжения позволяют считывать степень его деления и тем самым сигнализировать о функции.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Проверка ориентации соединительных элементов

Таким образом, UFP подключается к земле через резисторы Rd, контакты канала конфигурации CC1 и CC2, сигнализируя контроллеру что это ведомое устройство, а DFP – с помощью подтягивающих резисторов Rp – CC1 и CC2 сигнализирует, что это хост. Соединение Rd и Rp создает разделитель, используемый для принятия решений о подключении и отключении устройств.

Ориентация штекеров распознается в каждом гнезде отдельно. Кабель соединяет только один из двух контактов CC гнезда, другой питает специальный чип идентификации, необходимый в кабелях, способных передавать большую мощность (V CONN) – EMCA.

В кабелях с микросхемой вывод V CONN гнезда зашунтирован на землю с помощью резисторов RA. Обычные сигнальные кабели и кабели малой мощности не имеют микросхемы и, следовательно, не нуждаются в источнике питания V CONN, и этот контакт гнезда остается неподключенным.

Резисторы Rp и Rd, подключенные к линии CC, определяют вставку и ориентацию штекера. Для этого DFP и UFP проверяют, что напряжения на линиях CC не изменились.

Кроме того, UFP контролирует появление напряжения V BUS. DFP и UFP также определяют ориентацию штекеров кабеля на обоих концах, проверяя, что обе линии имеют одинаковое напряжение, поскольку к кабелю подключен только один из контактов CC.

После проверки соединения и определения ориентации штекеров свободная линия CC подключается к V CONN через DFP при условии, что там кабель типа EMCA (с микросхемой). Этот тип кабеля обнаруживается R&D резистора обнаружения.

Электропитание в режиме DRP

USB Type-C может действовать как DRP, с двойной функциональностью: либо как источник, либо как приемник энергии. Сигнализация осуществляется, когда подтягивающий резистор Rp (для источника) подключен к линии CC или подключен к земле Rd, когда он функционирует как приемник.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Соединение типа C между двумя DRP

Первоначально устройство DRP циклически меняет свое состояние между DFP (подключение Rp и отключение Rd) и UFP (отключение Rp и подключение Rd), чтобы обеспечить правильное соединение контактов CC, как показано на рисунке.

Хост DR P (например, ноутбук) успешно подключен к приемнику (например, мышки), когда на ПК есть активный Rp, подтягивающий к питанию, а у мыши с питанием есть активный Rd, подтягивающий потенциал к земле. Затем компьютер также становится DFP для данных. В противном случае, например, когда ноутбук подключен к зарядному устройству через USB, он выдает Rd (на землю) и блок питания Rp (на питание). Тогда ноутбук также становится UFP.

Полезное:  Устройства вывода информации для Arduino

Когда два устройства DR P подключены друг к другу, изначально связь DFP с UFP устанавливается случайным образом. Оба DR P переключают свое состояние с DFP на UFP, как показано на рисунке. Соединение устанавливается в соответствии с делителем напряжения Rp / Rd, сформированным на одном из соединений CC.

Протокол подачи питания

Спецификация USB Type-C позволяет передавать до 15 Вт мощности от DFP к UFP по линиям V BUS и GND. Эта мощность может передаваться между устройствами только при напряжении 5 В. Добавление поддержки подачи питания к оборудованию создает тип C с PD, который может увеличить напряжение шины V с 5 до максимум 20 В, а максимальный ток может достигать 5 А.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
PD в соединении USB Type-C

Предел тока, протекающего через шину V BUS, определяется делителем напряжения на значения Rp и Rd, выдаваемые DFP и UFP. Этот делитель не статичен, DFP может динамически изменять допустимый ток в зависимости от требований и условий зарядки (например, температуры окружающей среды), но UFP всегда должен отслеживать состояние делителя и изменять нагрузку V BUS.

Это существенное ограничение – здесь нет никаких обменов, не говоря уже о параметрах нижней границы. Тип C с PD отличается тем, что он двунаправленно согласовывает значение напряжения BUS V и максимальный ток.

При использовании USB PD контакты CC используются для связи между портами USB Type-C, а связь осуществляется с помощью BMC (Biphase Mark Code), с которым отправляются сообщения конфигурации (сообщение PD). На рисунке показано, как контроллер USB PD подключается к линии CC (показан только один из выводов CC – тот который подключен кабелем.

Связь по протоколу Power Delivery

Далее показан формат сообщений PD. Первые 64 бита (преамбула) представляют собой чередующуюся последовательность единиц и нулей, позволяющую приемнику синхронизироваться с тактовой частотой (300 кГц). Следующее 16-битное слово (адрес или тип) содержит адрес сообщения.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Формат сообщения PD

Тут 16-битное поле содержит заголовок сообщения, закодированный, как показано на рисунке, с количеством объектов данных (#Data Objects). Если число 0, это контрольное сообщение, а если от 1 до 7, в сообщении есть данные.

32-битный CRC отправляется в конце пакета, за которым следует 4-битный флаг конца пакета (EOP).

Если вычисленный CRC такой же как полученный, USB-C уровня физического устройства передает сообщение на уровень протокола для декодирования. Подробности можно найти в спецификации USB PD, которая определяет два типа сообщений:

  1. короткие управляющие сообщения,
  2. пакеты данных, информирующие о возможности и согласовании источника питания, принудительное выполнение встроенного самотестирования (BIST).
USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Подключение с помощью кабеля EMCA

Вот сообщения, переданные во время успешно завершенных переговоров между двумя устройствами PD, подключенными кабелем к микросхеме EMCA:

  1. Устройство DRP, зарекомендовавшее себя как DFP, обнаруживает кабель EMCA благодаря наличию резистора RA. Запрашивает данные кабеля, отправив команду Discover-Identity,
  2. Кабель отправляет ответ со своей характеристикой Discover IdentityACK,
  3. DFP также обнаруживает наличие UFP благодаря R D и отправляет сообщение UFP о его способности обеспечивать питание 5 В / 3 А и 9 В / 3 А.
  4. UFP отвечает командой запроса, что выбирает 9 В / 3 А,
  5. DFP отвечает Accept, а PS_R D Y сообщает о готовности установить такое питание на V BUS.
  6. После определения напряжения на шине V BUS UFP может начать нумерацию устройств.

SOP-коммуникация

Связь Power Delivery начинается и заканчивается последовательностью специальных символов, называемых маркерами K-кода, которые определяют границы пакета. Они используются для специальных функций управления, таких как сброс.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Сообщение SOP

Начало каждого пакета PD начинается с SOP – Start of Packet. Они отправляются по линии CC.

А это преобразование ролей в USB-PD:

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Инициированная DFP замена функции DR_SWAP

До создания спецификации USB PD USB-хост (например, ноутбук) всегда был источником питания, а USB-устройство (например, мышь) всегда было приемником энергии. Зарядка аккумулятора главного компьютера была отдельной операцией.

Спецификация PD значительно упростила схему и отдельно определила роли питания (V-BUS как источник и приемник питания) и данных (хост и USB-устройство). Таким образом стало возможным независимое переключение ролей питания и данных. Примером может служить ноутбук, который может заряжать телефон или заряжаться сам.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
Инициированная источником замена функции PR_SWAP

Спецификация PD определяет три типа замены функций:

  1. Обмен данными ролей (DR_SWAP): переключение между функциями DFP и UFP. Он не изменяет Rp и Rd на линии CC, поскольку роли питания порта остаются неизменными.
  2. Power Role Swap (PR_SWAP): переключение между функциями источника и приемника. В то же время резисторы Rp и Rd на линии CC меняются местами.
  3. Swap V CONN (VCONN_SWAP): поменять местами источник V CONN (подача чипа E-mark).

На рисунке показана последовательность инициированного DFP сообщения, ведущего к замене DR_SWAP. Он может быть инициирован как DFP, так и UFP.

Примером может служить случай, когда для монитора USB Type C (DRP), подключенного к хосту, изначально установлено значение DFP / Source. Затем он обеспечивает энергию. Для правильной работы монитор должен оставаться UFP с хостом DFP. Своп DR_SWAP также может быть инициирован монитором.

Рассмотрим последовательность сообщений о завершении PR_SWAP, инициированных источником. Примером является замена PR_SWAP, когда монитор DR P, подключенный к портативному компьютеру DR P, изначально установлен как UFP / приемник.

В этом случае монитор сначала получает питание от хоста. Замена PR_SWAP необходима, чтобы монитор мог питать компьютер. Этот обмен может быть инициирован как монитором, так и компьютером.

USB type C: новые возможности и принцип работы порта
DFP инициировал обмен VCONN_SWAP

На рисунке показана последовательность успешно завершенного свопа VCONN_SWAP. Он может быть инициирован как источником напряжения V CONN, так и приемником. Как видно, оба источника после сообщения Accept некоторое время будут активны одновременно.

Это связано с тем, что новый источник V CONN запускается с сообщением Accept перед командой PS_READY, а предыдущий отключается с помощью команды PS_READY. Такая последовательность включения V CONN в соответствии со спецификацией USB-PD и обеспечивает бесперебойное питание контроллера по кабелю. Кроме того, подключение двух источников V CONN предотвращается путем установки между ними диодного сумматора, отбирающего мощность только с одного из них.


НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ