USB Type-C的工作原理與技術分析

(一) USB 3.1 基本規格

圖1.歷代USB規格 ↑

圖2.歷代USB傳輸速度比較 ↑

圖3.歷代USB輸出功率及標誌比較 ↑

有SS字樣的代表支援PD，
有SS和10的USB標誌代表支援USB3.1及PD2.0

(二) USB Type C 的五大優勢

圖4.歷代USB接頭形狀比較 ↑

1. 功能齊全 : 同時支援數據、音頻、視頻傳輸，還支援充電功能，全集中在一條傳輸線，可解決傳輸線太多的問題。
2. 支援正反插：type C的腳位是鏡像設計，可以支援正反插，硬體上有特別的偵測機制可以判斷是正插還是反插，這部分在後面會提到。(半夜手機要充電不用再開燈看接頭方向了!)
3. 雙向傳輸 : 數據、電力可以雙向傳輸與充電。
4. 向下兼容 : 可透過轉接器(dongle)，兼容USB type A、micro B等接口。
5. 傳輸速率快 : 支援USB 3.1，可支援高達10Gbps的數據傳輸。

(三) USB Type C 腳位功能概述

圖5.USB type C 母頭 / 公頭腳位示意圖 ↑

圖6.USB type C 母頭(receptacle)腳位功能說明 ↑

腳位說明：
(1) Tx / Rx : 兩組差分訊號傳輸對，用於數據傳輸。
(2) CC1 / CC2 (Configuration Channel) :
偵測正反插、偵測cable有沒有接上、判斷哪邊是DFP (Downstream Facing Port)及UFP (Upstream Facing Port)、配置Vbus、配置Vconn、
配置其他模式(alternate or accessory mode)、PD溝通等，總言之，CC透過USB type C接線管理主從兩端之間的溝通。
(3) Vbus : 供電用(power supply)，CC pin接上，Vbus才供電
(4) D+ / D- : 向下支援USB2.0用。
(5) SBU1 / SBU2 : 傳輸輔助信號用，DP Alt mode可利用此腳位傳送AUX資料。
(6) GND : 接地，電源和接地有4個，所以可以支援到100W。

(四) CC 工作原理及模型

圖7.USB CC腳位工作模型 ↑

(1) DFP (Downstream Facing Port)為 Host 端，另一邊的 UFP (Upstream Facing Port)則為 device 端。在 DFP
的 CC pin 會有上拉電阻 Rp，在 UFP 則會有下拉電阻 Rd。(Rp決定host端提供給device端的供電能力)
(2) 在 DFP 與 UFP 未連接之，DFP 的 VBUS 是沒有輸出的。當 DFP 與 UFP 連接後，CC pin 相接，DFP 的
CC pin 偵測到 UFP pulldown Rd，表示接到 Device，DFP 便打開 VBUS 的 FET 開關，輸出 VBUS 電源給
UFP，也就是說在尚未偵測到 CC PIN 的設定之前，VBUS 是不會供應任何電源給 UFP 端的。
(3) 從上圖可以明顯得知,除了 Ra 之外，其餘電阻都不該出現在 cable 之中，Ra 數值如下圖表格所述是一個區間值，一般使用 1k ohm，如作為電源供應器的線材則可能會略低於 800 ohm :

圖8.Ra電阻值區間 ↑

(4) Rp 的數值是有被規範的，目前常見的 56k ohm 被規範為 default USB power，一般用於相容於傳統 USB架構，故常出現 USB2.0/USB3.0 的 type A/B to type C 的線材在 type C 端加入該電阻。其餘電阻值請看
下圖表格:

圖9.Rp電阻值區間 ↑

(5) Rd 在規範中僅有 5.1k ohm ，不會在 cable 中使用。
(6) 有 Ra 的 cable，內部一定都有 e-mark IC，所以都會支援 PD 協議。沒有 Ra 的 cable 一定就是 passive cable，內部是沒有 IC 的，當然一定不支援 PD 協議。
(7) CC pin 的偵測可分為以下數種結果：

圖10.Source端 CC pin 偵測結果總表 ↑

Sink端通電後，將偵測CC1和CC2的電壓是否大於其本地接地電壓，若處於較高的電壓，即代表被Source端中的Rp上拉電位，所以可以判斷插頭的方向。
(8) 正反插偵測
由於 Type-C 是支援正反插，CC pin 被用來偵測正反插，從 DFP 的角度來看，當 CC1 接到 Pulldown (Rd)就是正插，如果是 CC2 接到 Pulldown 就是反插。在偵測完正反插後，就會輸出相對應的 USB 信號， 例如 CC1 對應的是 SSTX1 與 SSRX1。下圖的右邊整合了 MUX，由於 USB 3.1 的 data rate 高達 10 Gbps，為了避免 PCB 的走線出現分支，所以正反插進來的訊號會由 MUX 來切換，正插時，切換到 SSRX1&SSTX1，反插時，切換到 SSRX2&SSTX2。

圖11.Data傳輸路徑示意圖 (藍線為正插，紅線為反插)↑

(五) 小結

圖12.2016年版本後的Macbook開始採用USB type-C接孔

在USB type-C問世以前，我們的周遭總是出現各式各樣的連接線，接顯示器的一條線、接耳機的一條線、充電的一條線、傳輸資料的一條線......，現在，只要一條USB type-C通通都可以搞定，體積比USB type-A更小，可以讓3C產品有更輕薄的機構設計；不分正反插的接頭設計和最高10Gbps的傳輸速率，節省了每位使用者的寶貴時間；最高100W的輸出功率，幾乎可以幫身邊每個行動裝置快速充電，看來，USB type-C要在傳輸界面上一統江湖，只是遲早的事。

資料來源：
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