搞定DFP/UFP角色侦测设计USB 2.0 OTG升级Type-C

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USB Type-C缆线、插座及插头的设计皆较现有USB缆线(Micro-A、Type-A及Type-B)更为坚固且容易使用。举例来说,目前的Type-A插头仅能以一种方向插入Type-A插座。但是,Type-C无论正反面皆可插入装置中。这项简单的改变可避免使用者将USB设备错误插入USB插座时所造成的不便。

随着USB产品通过VBUS耗用越来越多的电力,以及对于更快的充电速度需求,USB Type-C标准能够提供电力以支持现今及未来的各种电子产品。为充分运用Type-C的优点,企业必须改变其现有产品以符合Type-C标准。如何着手这项程序可能是一项艰钜的任务,本文将详细说明从USB 2.0 OTG产品进展为USB Type-C兼容产品的最低需求。

USB 2.0 On-The-Go(OTG)主要应用在可携式装置,例如手机或平板上,可做为USB主机或USB周边装置使用。所有USB 2.0 OTG产品都必须使用Micro-A/B插座。

USB 2.0 OTG支持双重角色

使用USB 2.0 OTG的可携式设备是通过ID脚位来判断其做为主机或是普通设备用途。通过接地(GND)ID脚位,OTG产品可做为USB主机使用,并为所连接的USB周边设备提供电力。反之,OTG装置则将做为USB周边设备使用。表显示插座与插头的脚位输出。插头的ID脚位有接地或未连接两种模式,以供选择主机或周边设备功能。

引脚 名称 线缆颜色 描述
1 VBUS 红色 +5V供电
2 D- 白色 差分数据-
3 D+ 绿色 差分数据+
4 ID N/A 区分另一端接口类型
主机:接地
设备:不连接
5 GND 黑色

当从USB 2.0产品迁移至Type-C产品时,你将不需要USB 3.1信号,所以在印刷电路板 (PCB) 上将它们保持在断开状态(电气隔离)。将USB 3.1触点显示为Type-C插座内的常断 (NC) 触点。

当做为USB设备使用时,可携式USB 2.0 OTG产品会监控VBUS,借以判断是否已连接至USB主机或外部充电器(例如手机插入电源充电器)。使用USB Battery Charging 1.2(BC1.2)的充电规格或专属方式,可携式产品可要求高于USB 2.0预设的2.5瓦,以提供更快速的充电时间。

USB Type-C兼容USB 2.0

USB Type-C规格所定义的插座及缆线可让使用者在插入其产品与缆线时,毋须考虑连接器的位置(正反皆可)。缆线两端皆可使用Type-C插头,如有需要亦可在缆线一端使用旧型USB插头(例如micro-A、Type-A或Type-B等)。为了满足更高频宽的应用,USB Type-C规格在连接器中加入了多组USB 3.1线对。

USB Type-C插座中明显消失的是之前Type-A和Type-B接头的ID引脚。在Type-C中,使用配置通道 (CC) 引脚这种不同的处理方式来决定设备是作为主机,还是作为外设。CC引脚所执行的功能与ID引脚之前执行的功能一样;它们表明了设备是作为主机、外设,还是兼具二者的功能。CC引脚还会检测连接是否已经建立,还是已断开;还有几个在Type-C上执行USB 2.0时不需要的几个其它引脚。

Type-C引脚

下图显示用于支持全功能Type-C缆线的插座脚位分配。全功能缆线支持USB 2.0与USB 3.1。

Type-C引脚

从USB 2.0 OTG产品转换至Type-C产品时,不需要USB 3.1信号。这些信号在PCB上应维持未连接的状态(电气隔离)。下图显示Type-C插座中未连接的USB 3.1接点。

Type-C 未连接的USB 3.1接点

图中的脚位图有两组D+与D-接点,这两组脚位并不表示有两组独立的USB 2.0路径。事实上,一条Type-C缆线只有一条电线用于D+,并也只有一条电线用于D-。这两组D /D-触点的目的在于支持“可翻转”特性。

产品应将两个D+接点连接至其PCB,并将两个D–接点连接至其PCB。当使用者将这些接点在PCB上连接在一起,将不可避免会产生短截线(Stub)的情况。因此,请注意短截线长度不得超过2.5mm。否则,可能会在USB 2.0界面上发现信号完整性的问题。

USB Type-C插座上明显缺少的是ID脚位。Type-C用于判断主机或周边装置功能的方式并不相同,其主机或周边装置的功能,必须透过监控信道组态(CC)脚位(CC1/CC2)才能侦测,并需以特定的时间间隔,在提升电阻器与下拉电阻器之间切换。经过已定义的去除反跳时间之后,装置将依据在CC脚位上测得电压位准,而成为主机或周边装置。

OTG改称双角色端口角色判断另有新方法

在Type-C生态系统中,USB 2.0 OTG装置称为双角色端口(DRP)。DRP是指可做为USB主机或USB设备功能来使用的装置。在Type-C专业术语中,USB主机成为下行数据连接端口(DFP),USB周边装置则称为上行数据连接端口(UFP)。

为了判断DFP或UFP角色,DRP装置必须在UFP与DFP之间进行切换,直到联机建立为止。

为了便于参考,下图显示USB Type-C规格所提供的DRP模型。

DRP模型

DFP有提升电阻器(Rp),而UFP则有下拉电阻器(Rd)。显示透过开关控制CC1/CC2上的Rp与Rd。当Rp因为被选择而发生联机时,DRP装置将成为DFP(主机)并为周边装置提供VBUS。当一个联机与被选择的Rd一起连接时,DRP装置将成为UFP(USB普通设备),并监控VBUS,借以建立数据联机及/或电源机板电路。

若有两项具备DRP功能的产品相连,则两者皆有可能成为主机或周边装置。例如,手机与平板皆有可能具备DRP功能。但是,当两者连接时,手机将成为周边装置,而平板电脑将成为主机。而手机成为平板的主机,并提供VBUS给平板的情况则不应该发生。换言之,使用者的手机不应为平板充电。

针对上述的情况,Type-C规格在DRP联机与角色侦测方法上有选择性的路径,允许装置选择偏好设定,以便发挥特定用途。

这些选项路径称为Try.SRC与Try.SNK,使用这两个选择性功能对于可携式装置而言极为重要。平板或许想要使用Try.SRC,使其在连接其他DRP的时候可能构为主机。然而,手机亦可能想使用Try.SNK,使其在连接其他DRP时能够成为周边装置。

上图亦显示VCONN开关。VCONN的用途是以有源电路为缆线供电。在Type-C中,这些缆线称为有源缆线。VCONN通常用于为缆线中的USB 3.1信号调节装置供电。仅支持USB 2.0的产品不须要支持VCONN。

满足转换需求单芯片解决方案

若要将使用micro-A/B插座的USB 2.0 OTG产品转换为Type-C插座,以德州仪器(TI)为例,该公司旗下TUSB32x系列产品是可行的解决方案之一。此系列产品可依据脚位或I2C寄存器值而做为UFP、DFP或DRP,这些装置可处理Type-C连接程序的所有面向。

此外,这些装置提供可镜射micro-A/B ID脚位动作的ID脚位,因此可轻易判断主机或周边装置角色。做为周边装置连接时,TUSB32x系列产品可透过I2C寄存器或GPIO脚位,指出由连接的主机所提供的VBUS电流。做为主机连接时,这些装置则会将VBUS电流通知所连接的周边装置。

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