Type-C規範解讀中文版本

從1996年1月USB1.0正式發佈至今(2017年9月 USB3.2發佈),USB已經走過了21個年頭,在這21年的時間了,USB協會(USB Implementers Forum,USB-IF)折騰出來了各式各樣、五花八門的接口形態:Type A、Type A SuperSpeed、Type B、Type B SuperSpeed、Mini-A、Mini-B、Micro-A、Micro-B、Micro-B SuperSpeed、Type C等等,只有 USB Type-C最有可能接近王位的接口,USB Type-C憑藉其自身強大的功能,應用場景開始逐年增加,從手機平板到汽車應用,未來這個接口將積極影響我們日常生活的方方面面,提起type C,它還真和它的A、B前輩們不太一樣:因爲它有自己獨立的、自行演化的規範文件—-USB Type-C Specification(2014年發8月布1.0版本,2017年7月發佈1.3版本)。而前輩們就沒有這樣的待遇了,它們都依附於具體的USB規範(USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、等等),在電子行業中,Type-C存在於每一位工程設計人員的腦海中,由於市場競爭的加劇,各種非USB協會指定的規格也在搶佔各種應用市場,避免引用錯誤,我們整理USB協會規格解讀分享給大家.

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USB 接口形態介紹

USB接口主要由插座(Receptacle)、插頭(Plug)和線纜(Cable)三部分組成,然後根據USB協會裏面的各種協會規格進行組合,A-to-A、B-to-B、A-to-MicroA、等等,不過我們今天的主角USB Type C定義了新的接口形態。另外,爲了兼容舊的接口以及一些特殊功能,它定義了不同形態的插座、插頭、線纜等,主要包括如下:

定義了2種Type-C的插座

全功能的Type-C插座,可以用於支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺和設備。

USB 2.0 Type-C插座,只可以用在支持USB2.0的平臺和設備上。

定義了3種Type-C插頭

全功能的Type-C插頭,可以用於支持USB2.0、USB3.1、等特性的平臺和設備。

USB 2.0 Type-C插頭,只可以用在支持USB2.0的平臺和設備上。

USB Type-C Power-Only插頭,用在那些只需要供電設備上(如充電器)

定義了3種標準的Type-C線纜

兩端都是全功能Type-C插頭的全功能Type-C線纜。

兩端都是USB 2.0 Type-C插頭的USB 2.0 Type-C線纜。

只有一端是Type-C插頭(全功能Type-C插頭或者USB 2.0 Type-C插頭)的線纜

爲兼容舊設備而定義的線纜或者適配器

一種線纜,一端是全功能的Type-C插頭,另一端是USB 3.1 Type-A插頭。

一種線纜,一端是USB 2.0 Type-C插頭,另一端是USB 2.0 Type-A插頭。

一種線纜,一端是全功能的Type-C插頭,另一端是USB 3.1 Type-B插頭。

一種線纜,一端是USB 2.0 Type-C插頭,另一端是USB 2.0 Type-B插頭。

一種線纜,一端是USB 2.0 Type-C插頭,另一端是USB 2.0 Mini-B插頭。

一種線纜,一端是全功能的Type-C插頭,另一端是USB 3.1 Micro-B插頭。

一種線纜,一端是USB 2.0 Type-C插頭,另一端是USB 2.0 Micro-B插頭。

一種適配器,一端是全功能的Type-C插頭,另一端是USB 3.1 Type-A插座。

一種適配器,一端是USB 2.0 Type-C插頭,另一端是USB 2.0 Micro-B插座

看了上面的這些組合種類,應該能感受到之前的USB接口規範是多麼的能折騰了吧?

USB C管腳及其信號的定義

USB Type-C接口有24個管腳,插座和插頭在管腳信號的定義上有一點點的不同,分別如下:

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以上信號按照功能主要可以分爲5類:

第一類:Power有關的信號,包括

a)VBUS,USB線纜的bus power(和我們通常意義上VBUS保持一致)。

b)VCONN(只有在插頭上纔會有該信號),用於向插頭供電(由此可以推測出有些插頭中可能會有電路)。

c)GND,接地

第二類:USB 2.0數據線,D+/D-,它們在插頭端只有一對,和舊的USB 2.0規範一致。但爲了支持正反隨意插。在插座端定義了兩組,這樣插座端可以根據實際情況進行合適的mapping。

第三類:USB3.1數據線,TX+/-和RX+/-,用於高速的數據傳輸。插頭和插座端都有兩組,用於支持正反隨意插。

第四類:用於Configuration的信號,對插頭來說,只有一個CC,對插座來說,有兩個CC1和CC2。

第五類:擴展功能所需的信號,具體使用場景由相應的擴展功能決定。

對於3.1中所描述的不同類型的插座和插頭,這24個管腳以及信號不一定全部使用,具體可參考USB Type-C的規範,另外大家可能注意到了,USB Type-C 24個管腳信號中,Power類(GND/VBUS)和數據類(D+/D-/TX/RX)是完全對稱的(對Power來說,無論怎麼插,都是一樣;對數據線來說,簡單的路由一下,就可以工作)。剩下的,包括CC、SBU和VCONN,用於方向、線類型等檢測.

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Type-C Cable 規格應用的解讀

USB2.0系列的接口已經應用非常多年,目前的市場主流將逐步往Type-C接口,現在的以上2.0系列將最終的接口統一爲Type-C接口,2.0系列主要分爲數據傳輸+充電,3.0系列主要爲數據傳輸+充電,並最終統一到3.1的時候,將統一爲:數據傳輸+充電+音頻+視頻的數據線.

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USB2.0 A TO C接線方式及應用產品

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應用場合:適用於手機等USB Type-C接口的設備連接現存USB充電器及電腦主機USB接口進行數據傳輸.

USB2.0 B TO C接線方式及應用產品

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應用場合:適用於帶USB2.0方口接口設備如打印機,方口攝像頭等.

USB2.0 MINI TO C接線方式及應用產品

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應用場合:適用於帶USB2.0 mini 接口設備如遊戲機,移動硬盤等.

USB2.0 Micro B TO C接線方式及應用產品

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應用場合:適用於帶USB2.0 micro B 接口設備如舊的手機等.

USB3.0 Micro B TO C接線方式及應用產品

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應用場合:適用於帶USB3.0 micro B 接口設備的手機和硬盤等.

USB3.1 接線方式及應用產品

USB3.1線纜分同軸線和雙絞線兩種,雙絞線的實際出線數量至少是16根,同軸線在雙絞線的基礎上,需要增加4根左右的GND出線,用於實現同軸線的屏蔽.

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圖標中A6,A7爲USB2.0的數據PIN,A8,B8爲預留Pin位,A5,B5爲配置通道或者爲有源器件的電源供應(可以探測USB TYPE C連接器端口是否插配,從而決定如何配置電源供應商,建立連接的主從關係,探測連接的電流大小及控制電源的供應,當然還有最重要的USB PD通訊給有源器件供應電源,包括HUB需要的功能擴充等).

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USB3.1數據標準採用的高速率已經進入到微波領域,通過連接器和線纜傳輸如此高的速率必須考慮通道的不連續性引起的失真,爲了將失真程度保持在一個可控的水平,標準規定了線纜和連接器對的阻抗和回波損耗等指標。在測試項目上也包含了Impedance(特性阻抗)、Propagation Delay(傳輸延遲)、PropagationSkew(傳輸時滯)、Attenuation(衰減)、Crosstalk(串音)等測試項目.

USB3.1 裸線產品

如下表,USB2.0規範的電纜長度小於4米,USB3.2 Gen1的長度小於2米,USB3.2Gen2的電纜長度小於1米.

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全功能USB Type-C電纜信號說明

下圖分別爲USB3.1對絞線材和同軸線的線材結構參考!

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上圖是標準的USB Type-C的電纜,高速信號差分對SDP都採用同軸線,信號地迴流是通過屏蔽GND.

USB2.0/USB3.1/USB3.2線纜說明

如下圖,如果type-c線纜僅僅用作USB功能,那麼其實有很多信號線是不需要的,只需要以下信號即可(USB3.2 Gen2x2除外)。USB2.0需要更少的線,其5-10信號是不需要的.

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線纜的導體線規選擇

目前規範沒有指定線纜導體的規格,可以根據工廠的應用客戶羣體和設備優越性靈活選擇,從成本和使用場景進行優勢選擇,柔軟性,安裝場合實用性等,多根電線可用於一條單線,如Vbus或地,建議使用最小的線號,以滿足電纜組裝、電氣和機械的要求,爲了最大限度地提高電纜的靈活性,電纜的外徑應該儘可能的減小,一個典型的USB全功能型Type-C型電纜外徑可從4mm至6mm,而一個典型的USB2.0型Type-C電纜外徑可從2mm至4mm,一個典型的USB Type-C的USB3.1電纜外徑可以從3mm到5mm,線號參考如下表,在規範裏面都有詳解:

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阻抗控制

SDP屏蔽差分線的阻抗控制在90Ω±5Ω,單端同軸線控制在45Ω±3Ω,阻抗建議用200 ps(10%-90%)的上升時間來評估.

協會規格里面重要的表格參數介紹

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