USB Type-C 与传统 USB(Standard-A、Standard-B 和 Micro USB)相比提供了更小、更薄和更坚固的替代方案,其增强的功能点包括:

  • USB Type-C 接口的整体高度低于 3mm,可用于超薄平台;
  • USB Type-C 插头可上下颠倒插入,不再区分正反面;
  • USB Type-C 线缆两端的 Type-C 连接器完全相同,因此线缆具有无方向性特点。

更多信息可查阅 USB Type-C 官方资料。

1. 引脚

涉及的相关概念解释如下:

  • Plug:插头,也被称为公头;
  • Receptacle:插座,也被称为母头;
  • E-Marker:电子标记 (Electronically Marker),Type-C 电缆的电子标签,通过 E-Marker 芯片可以读取线缆预设的功能属性(如电源传输能力、数据传输能力、ID 等信息)。

USB Type-C 接口共有 24 个引脚,A、B 两面各 12 个引脚。图 1.1 展示了 USB Type-C 接口的全功能引脚,值得注意的是并非所有平台或设备都需要使用所有的引脚,不同平台或设备实际使用的引脚存在区别。

图1.1

USB Type-C 各个引脚的功能描述如下表所示。其中:

  • USB 2.0 差分信号只会连接 USB TYpe-C Receptacle 的其中一边。因为 USB Type-C Plug 无 B6、B7引脚;
  • CC (Configuration Channel) 配置通道用于承载确认连接过程中的传输方向和正反插、PD 充电检测、发现和配置可选的备用/附件模式;
  • USB Type-C Plug 中的 Vconn 引脚用于为 USB Type-C Plug 中的电子设备(如 E-Marker)供电。
引脚号 名称 描述 引脚号 名称 描述
A1 GND 接地 B12 GND 接地
A2 TX1+ 高速差分信号1,TX,正 B11 RX1+ 高速差分信号1,RX,正
A3 TX1- 高速差分信号1,TX,负 B10 RX1- 高速差分信号1,RX,负
A4 Vbus 总线电源 B9 Vbus 总线电源
A5 CC1 配置通道信号1 B8 SBU2 辅助信号,不同场景不同用途
A6 D+ USB 2.0 差分信号,正 B7 D- USB 2.0 差分信号,负
A7 D- USB 2.0 差分信号,负 B6 D+ USB 2.0 差分信号,正
A8 SBU1 辅助信号,不同场景不同用途 B5 CC2 配置通道信号2
A9 Vbus 总线电源 B4 Vbus 总线电源
A10 RX2- 高速差分信号2,RX,负 B3 TX2- 高速差分信号2,TX,负
A11 RX2+ 高速差分信号2,RX,正 B2 TX2+ 高速差分信号2,TX,正
A12 GND 接地 B1 GND 接地

2. 配置通道 Configuration Channel

这里介绍了 USB Type-C 涉及的相关概念及前置知识。其中,USB Type-C 的电源角色 Power Role 如下:

  • Source:Type-C 接口上的 CC 引脚呈现上拉电阻 Rp,当设备接入后,提供 Vbus 电源。
  • Sink:Type-C 接口上的 CC 引脚呈现下拉电阻 Rd,当接入主机后,消耗 Vbus 电影。

USB Type-C 的电源角色 Power Role 又可以细分为:

  • Source Only
  • Source (Default) :默认Source,但是可以通过 USB PD 交换机制切换为 Sink 模式
  • Sink Only
  • Sink (Default):默认Sink,但是可以通过 USB PD 交换机制切换为 Source 模式
  • Source/Sink:DRP 设备,可以在 Source 与 Sink 间动态切换
  • Sourcing Device:DRP 设备,能供电的 Device,如显示器
  • Sinking Host:DRP 设备,耗电的 Host,如笔记本电脑

在 USB 2.0 中,根据数据传输的方向定义了 HOST/Device/OTG 三种角色,其中 OTG 既可作为 HOST,也可作为 Device。类似于 USB 2.0 ,USB Type-C 中的数据角色 Data Role 如下:

  • DFP:下行端口 (Downstream Facing Port) ,即 Host,DFP 作为 Source 给 Vbus 和 Vconn 供电,型的 DFP 设备是电源适配器;
  • UFP:上行端口 (Upstream Facing Port) ,即 Device,UFP 作为 Sink 从 Vbus 中取电,并可提供数据,型的 UFP 设备是 U盘、移动硬盘;
  • DRP: 双角色端口 (Dual-Role Port) ,可以在 DFP 与 UFP 间动态切换,典型的 DRP 设备是电脑;

其他涉及的相关概念如下:

  • Rp:上拉 (Pull Up) 电阻,端口未连接设备或在高阻抗的情况下,提供一定的电压信号用于保证输入信号为高电平的电阻元件;
  • Rd:下拉 (Pull Down) 电阻,将电路节点的电平向低方向 (GND) 下拉的接地电阻元件,其阻值为 5.1KΩ;
  • Ra:供电电缆中 Vconn 上的下拉电阻,其阻值为 800Ω ~ 1.2KΩ;
  • MUX:多路复用器 (Multiplexer),一种电子电路,可以将多个输入信号转换为一个输出信号。

2. 1 检测有效的 Source-to-Sink 连接

图 2.1 展示了检测 Source-to-Sink 连接的上拉/下拉模型。在 Source 的 CC 引脚上有上拉电阻 Rp,在 Sink 的 CC 引脚上有下拉电阻 Rd。在 Source 与 Sink 未连接之前,Source 的 Vbus 是没有输出的。当 Source 与 Sink 连接后,CC 引脚相接,Source 的 CC 引脚检测到 Sink 中的下拉电阻 Rd,表示连接到设备,Source 便打开 Vbus 的电源开关,输出 Vbus 电源给 Sink。

Source 的另一个 CC 引脚被来自 Vconn 的下拉电阻 Ra 拉低,因此切换 Vconn 到对应的 CC 引脚,Vconn 开始给 USB Type-C Plug 中的电子设备(如 E-Marker)供电。

注:上拉电阻 Rp 可以替换为电流源,其根本目的在于保证为 Source 的 CC 引脚输入高电平信号。

图2.1

从 Source 的角度来看,CC1 引脚和 CC2 引脚状态有一下几种:

CC1 引脚 CC2 引脚 描述
无 无 未连接设备
Rd 无 连接到 Sink 耗电设备
无 Rd 连接到 Sink 耗电设备
无 Ra 仅连接到有 Vconn 供电设备的 USB 电缆
Ra 无 仅连接到有 Vconn 供电设备的 USB 电缆
Ra Rd 连接到有 Vconn 供电设备的 USB 电缆 和 Sink 耗电设备
Rd Ra 连接到有 Vconn 供电设备的 USB 电缆 和 Sink 耗电设备
Rd Rd 调试附件模式
Ra Ra 连接到音频适配器设备

2. 2 正反插方向检测

在 USB 2.0 的情况下,数据传输通过一对 D+/D- 信号线引脚。Type-C Receptacle 上有两对对称并相连的 D+/D- 信号引脚,而 Type-C Plug 上仅有一对 D+/D- 引脚,另一对引脚悬空。所以只要 Type-C Plug 上的 D+/D-信号引脚能连接到任意一对 Type-C Receptacle 上的 D+/D- 引脚即可实现数据传输,即 USB 2.0 无需检测正反,如图 2.2 所示。

图2.2

在 USB 3.0 的情况下,Type-C Receptacle 虽然有两对 TX/RX 引脚,但是其目的在于让 Type-C Plug 无论正反两面皆能顺利插入 Type-C Receptacle,所以通常主控芯片只有一组 TX/RX 通道。通过检测正反插方向,DFP (Host) 能够确定使用哪对 TX/RX 信号用于单通道连接。从 DFP (Host) 的角度来看,当 CC1 引脚接到下拉电阻 Rd 就是正插,如果是 CC2 引脚接到下拉电阻 Rd 就是反插。在检测完正反插后,就会通过 MUX 切换到相对应的 TX/RX 信号对,正插时切换到 TX1/RX1,反插时切换到 TX2/RX2。图 2.3 所示展示了反插下的 TX/RX 对。

图2.3

在 USB 3.2 的情况下,实现了两组 TX/RX 道同时运作,让数据传输的速度相较于 USB 3.0 提升了两倍。USB 3.2 在 Type-C Plug 中与 CC 引脚对齐的 TX/RX 信号对被标记为通道0 (Lane 0),另外一对 TX/RX 信号对被标记为通道1 (Lane 1)。

2. 3 连接过程中的传输方向确认

虽然设备通过 USB Type-C 接口互连而不再通过 A 型或 B 型接口来物理区分电缆上的插头,但 USB 接口仍然保持这种主机到设备 (host-to-device) 的逻辑关系。这种主机到设备的逻辑关系的确定是通过配置通道 CC 完成的。

默认情况下 CC 引脚上有上拉电阻 Rp 的 Source 为主机 DFP,CC 引脚上有下拉电阻 Rd 的 Sink 为设备 UFP。正常情况下电源角色 Power Role 和数据角色 Data Role 都是同步的,例如手机连接U盘时,手机的电源角色 Power Role 是 Source,数据角色 Data Role 是 DFP;当手机连接笔记本时,手机的电源角色 Power Role 是 Sink,数据角色 Data Role 是 UFP。

如果 DRP 设备要翻转电源角色或数据角色,例如让手机的电源角色 Power Role 做为 Sink,数据角色 Data Role 做为 DFP, 就需要用到 PD 协议 进行切换。

USB PD 引入了三个交换命令,这些命令可能会更改端口的电源或数据角色:

  • PR_Swap:更改端口的电源状态,不会更改端口来源 Vconn;
  • DR_Swap:更改端口的数据角色,不会更改端口来源 Vconn;
  • VCONN_Swap:更改端口来源 Vconn。

注意:USB PD 定义了另一种可选的交换机制(FR_Swap),用于用户交互可能无意中触发更改 VBUS 源的特殊情况。作为PR_Swap的变体,FR_Swap 类似地在两个连接的端口之间交换 Source(Rp)和 Sink(Rd)。

3. USB Type-C 接口布线

涉及的相关概念解释如下:

  • SDP:标准下行端口 (Standard Downstream Port),传统 USB 接口用连接设备 Device 端的接口,如 Micro-B Plug 等;

3. 1 USB Type-C 转 USB Type-C

图 3.1 展示了全功能 USB Type-C 标准电缆组件连接图。

图3.1

Type-C Plug1引脚 引脚名称 线序号 线序名称 Type-C Plug2引脚 引脚名称
A1, B1, A12, B12 GND 1 GND_PWRrt A1, B1, A12, B12 GND
A4, B4, A9, B9 Vbus 2 PWR_Vbus A4, B4, A9, B9 Vbus
A5 CC 3 CC A5 CC
B5 Vconn 16 PWR_Vconn B5 Vconn
A6 D+ 4 UTP_D+ A6 D+
A7 D- 5 UTP_D- A7 D+
A2 TX1+ 6 SDP1+ B11 RX1+
A3 TX1- 7 SDP1- B10 RX1-
B11 RX1+ 8 SDP2+ A2 TX1+
B10 RX1- 9 SDP2- A3 TX1-
B2 TX2+ 10 SDP3+ A11 RX2+
B3 TX2- 11 SDP3- A10 RX2-
A11 RX2+ 12 SDP4+ B2 TX2+
A10 RX2- 13 SDP4- B3 TX2-
A8 SBU1 14 SBU_A B8 SBU2
B8 SBU2 15 SBU_B A8 SBU1

各个引脚的具体连线如上表所示。其中:

  • 此表假设所有 SDP 使用同轴线结构且没有排扰线, 同轴线的屏蔽层连接到接地引脚;如果使用屏蔽双绞线,则需要排扰线且排扰线应连接到 GND 引脚;
  • USB Type-C Plug 的 B5 引脚 Vconn 用于带芯片的线缆;
  • USB Type-C Plug 中不应存在触点 B6 和 B7;
  • 所有的 Vbus 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起。全功能电缆两端中的 Vbus 引脚需要一个 10nF 旁路电容器(建议最小额定电压为 30V,如果支持 EPR,则为 63V),旁路电容器应尽可能靠近电源焊盘;
  • 所有 GND 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;
  • 屏蔽和 GND 接地应连接在电缆组件两端的 USB Type-C Plug 内。

3. 2 USB Type-C 转 USB 3.1 Standard-A

图 3.2 展示了 USB Type-C 转 USB 3.1 Standard-A 电缆组件连接图。

图3.2

Type-C 引脚 引脚名称 线序号 线序名称 USB 3.1 Standard-A 引脚 引脚名称
A1, B1, A12, B12 GND 1 GND_PWRrt 4, 7 GND
GND_DRAIN
A4, B4, A9, B9 Vbus 2 PWR_Vbus 1 Vbus
A5 CC        
B5 Vconn        
A6 D+ 3 UTP_D+ 3 D+
A7 D- 4 UTP_D- 2 D+
A2 TX1+ 5 SDP1+ 6 StdA_SSRX+
A3 TX1- 6 SDP1- 5 StdA_SSRX-
B11 RX1+ 7 SDP2+ 9 StdA_SSTX+
B10 RX1- 8 SDP2- 8 StdA_SSTX-

各个引脚的具体连线如上表所示。其中:

  • 此表假设 SDP 使用屏蔽双绞线且有排扰线;如果使用同轴线结构,则不存在排扰线,并且同轴线的屏蔽层需连接到接地引脚;
  • USB Type-C Plug 的 A5 引脚 CC 应通过上拉电阻 Rp(56kΩ ± 5%) 连接到 Vbus;
  • USB Type-CPlug 中不应存在触点 B6 和 B7;
  • 所有的 Vbus 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起。在电缆的 USB Type-C Plug 侧的 Vbus 和接地引脚之间需要一个旁路电容器。 在包含 USB 标准 A 插头的电缆中,旁路电容器应为 10nF ± 20%; 旁路电容应尽可能靠近电源焊盘放置;
  • 所有 GND 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;
  • 屏蔽和 GND 接地应连接在电缆组件两端的 USB Type-C Plug 和 USB 3.1 Standard-A Plug 内。

3. 3 USB Type-C 转 USB 2.0 Standard-A

图 3.3 展示了 USB Type-C 转 USB 2.0 Standard-A 电缆组件连接图。

图3.3

Type-C 引脚 引脚名称 线序号 线序名称 USB 2.0 Standard-A 引脚 引脚名称
A1, B1, A12, B12 GND 1 GND_PWRrt1 4 GND
A4, B4, A9, B9 Vbus 2 PWR_Vbus1 1 Vbus
A5 CC        
B5 Vconn        
A6 D+ 3 UTP_D+ 3 D+
A7 D- 4 UTP_D- 2 D+

各个引脚的具体连线如上表所示。其中:

  • USB Type-C Plug 的 A5 引脚 CC 应通过上拉电阻 Rp(56kΩ ± 5%) 连接到 Vbus;
  • USB Type-C Plug 中不应存在触点 B6 和 B7;
  • 所有的 Vbus 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;此电缆中的 Vbus 引脚不需要旁路电容器;
  • 所有 GND 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;
  • 屏蔽和 GND 接地应连接在电缆组件两端的 USB Type-C Plug 和 USB 2.0 Standard-A Plug 内。

3. 4 USB Type-C 转 USB 2.0 Micro-B

图 3.4 展示了 USB Type-C 转 USB 2.0 Micro-B 电缆组件连接图。

图3.4

Type-C 引脚 引脚名称 线序号 线序名称 USB 2.0 Micro-B 引脚 引脚名称
A1, B1, A12, B12 GND 1 GND_PWRrt1 5 GND
A4, B4, A9, B9 Vbus 2 PWR_Vbus1 1 Vbus
A5 CC        
B5 Vconn        
A6 D+ 3 UTP_D+ 3 D+
A7 D- 4 UTP_D- 2 D+
        4 ID

各个引脚的具体连线如上表所示。其中:

  • USB Type-C Plug 的 A5 引脚 CC 应通过上拉电阻 Rp(56kΩ ± 5%) 连接到 GND;
  • USB Type-C Plug 中不应存在触点 B6 和 B7;
  • 所有的 Vbus 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;此电缆中的 Vbus 引脚不需要旁路电容器;
  • 所有 GND 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;
  • USB 2.0 Micro-B Plug 的 4 号引脚 ID 应按照电缆类型的适用规范中的定义进行端接;
  • 屏蔽和 GND 接地应连接在电缆组件两端的 USB Type-C Plug 和 USB 2.0 Micro-B Plug 内。

3.5 USB Type-C 转 USB 3.1 Standard-A Receptacle

图 3.5 展示了 USB Type-C 转 USB 3.1 Standard-A Receptacle 电缆组件连接图。

图3.5

Type-C 引脚 引脚名称 线序号 线序名称 USB 3.1 Standard-A Receptacle引脚 引脚名称
A1, B1, A12, B12 GND 1 GND_PWRrt1 4, 7 GND
GND_DRAIN
A4, B4, A9, B9 Vbus 2 PWR_Vbus1 1 Vbus
A5 CC        
B5 Vconn        
A6 D+ 3 UTP_D+ 3 D+
A7 D- 4 UTP_D- 2 D+
A2 TX1+ 4 SDP1+ 9 StdA_SSTX+
A3 TX1- 5 SDP1- 8 StdA_SSTX-
B11 RX1+ 7 SDP2+ 6 StdA_SSRX+
B10 RX1- 8 SDP2- 5 StdA_SSRX-

各个引脚的具体连线如上表所示。其中:

  • USB Type-C Plug 的 A5 引脚 CC 应通过上拉电阻 Rp(56kΩ ± 5%) 连接到 GND;
  • 此表假设 SDP 使用屏蔽双绞线且有排扰线;如果使用同轴线结构,则不存在排扰线,并且同轴线的屏蔽层需连接到接地引脚;
  • USB Type-C Plug 中不应存在触点 B6 和 B7;
  • 所有的 Vbus 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;电缆 USB Type-C Plug 端的 Vbus 引脚需要一个 10 nF 旁路电容器,旁路电容应尽可能靠近电源焊盘放置;Standard-A Receptacle 中的 Vbus 引脚不需要旁路电容器;
  • 所有 GND 引脚应在 USB Type-C Plug 内连接在一起;
  • USB 2.0 Micro-B Plug 的 4 号引脚 ID 应按照电缆类型的适用规范中的定义进行端接;
  • 屏蔽和 GND 接地应连接在电缆组件两端的 USB Type-C Plug 和 USB 3.1 Standard-A Receptacle 内。