USB Type-C Docking (擴展塢) 設計

　　USB Type-C簡介

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201712/373432.htm

　　USB Type-C型接口，由USB-IF組織制定，早在2014年就得到了包括蘋果，谷歌，英特爾等廠商認可，相繼在2015年推出相關產品。相比各類USB傳統接口，USB Type-C具有小尺寸、高集成度、使用方便的優秀特性。也即USB Type-C 接口集數據傳輸，供電，和視頻為一體。圖1簡略描述了USB Type-C的部分特性。

　　圖1 高集成度的USB Type-C接口

　　USB Type-C接口具有以下特性：

　　1. 延續USB即插即用的便利優勢。

　　2. 物理接口十分小且薄，並支持正反插。

　　3. 支持USB3.1 Gen2(10Gbps)。

　　4. 同時支持DisplayPort數據輸出(也可以支持雷電，HDMI數據輸出)。

　　5. 支持高達20V 5A最大100W的標準電能傳輸。

　　上面提到的100W標準電能傳輸，是在USB PD(Power Delivery) 協議規範中定義的，標準輸出能力。 它是一種協商供電協議，非常靈活也非常智能。USB PD協議也允許設計者使用廠商自定義命令即VDM(Vendor Defined Messages)傳輸更大電能或者其他客戶需要的特殊的功能。綜上所述，USB Type-C具備強大的功能和靈活性，為產品設計者各種創意提供了無限可能。

　　圖2 Apple Macbook上的USB Type-C接口

　　USB Type-C典型特點是支持正反插，避免過去USB口繁複的方向對準問題，給用戶帶來極大的便利性。這一功能的實現和接口物理信號的定義有直接關係，圖3是USB Type-C的接口信號示意圖

　　圖3 USB Type-C插座(上圖)插頭(下圖)

　　完整的USB Type-C接口(插座)具有24個信號引腳，可以看到這些信號引腳的功能性呈180゜旋轉中心對稱的關係排列，在接口物理結構上支持了USB Type-C正反插。

　　USB Type-C及協商供電 USB PD (Power Delivery)基本知識

　　在USB Type-C中對數據和供電定義了3種角色，分別是DRP(Dual-Role-Port雙向接口), DFP(Downstream Facing Port數據下行接口), UFP(Upstream Facing Port數據上行接口)，同時還保留了Power Source/ Sink 的概念。

　　USB Type-C將數據角色和供電角色進行了分離，意味著一個埠數據和供電的方向可以相同也可以相反。 USB PD協議讓埠的兩種身份(數據和供電)可以自由組合，即一個埠可以是數據的主機，電源上卻做受電角色. 而傳統的USB, 數據和供電的身份是綁定的。這樣給應用帶來很大的靈活性。擴展塢設計就充分利用這種特性，就數據而言，針對於主機，它是從設備，而電源方面，它卻要扮演源端(source), 為主機提供電源。USB PD協議中，數據和電源身份是可以動態依照情況而改變的，不是一層不變的。

　　USB Type-C為了區分DFP與UFP的初始狀態，使用了上(Rp)下(Rd)拉的電阻模型，如圖4。

　　圖4 DFP和UFP的上下拉電阻模型

　　DFP通過監控CC (Configuration Channel)上的電壓來確認是否有正確的連接，然後打開Vbus和Vconn給設備和線纜供電，如果是插座設計，DFP和UFP都需要根據CC1/CC2上不同的分壓值確定設備插入的方向，切換內部開關將多組數據線以正確的順序傳輸或者獲取數據。

　　CC信號線上進行Rp-Rd配對，這決定了DFP 和UFP角色。

　　Vconn信號線上進行Rp-Ra配對，作用是給帶E-marker的cable供電，並讀取cable支持的速度和能承載的最大電流等線材相關信息。

　　圖5 DFP和UFP建立連接時幾種可能的連接模型

　　圖5展示了DFP和UFP的正反連接的四種模型，不論用戶如何插拔，兩端的設備都是根據CC1/CC2上的分壓進行方向識別的。上一節中圖3定義了USB Type-C插頭和插座的信號順序，在正插和反插的情況下，插頭和插座的匹配如下圖6所示。

　　圖6中最上面一個是正面朝上的插頭信號圖，中間是正面朝上的插座信號圖，最下面一幅是正面朝下的插頭信號圖，該圖示按翻轉的方式插入，那麼箭頭指示了一個引腳配對的位置，據此可以看出其他引腳配對的位置了。注意插頭和插座的區別---插頭中間有2個空引腳。

　　圖6 DFP和UFP連接時信號匹配

　　上面講述了DFP和UFP角色的功能，USB Type-C中還有一個特殊的雙角色埠(DRP)，顧名思義，DRP是雙向角色，也就是說一個DRP設備既能實現DFP功能，也能實現UFP功能，那麼在DRP設備內是同時集成了Rp和Rd的，在CC通道上DRP設備分時連接Rp或者Rd，不會同時將它們連接在CC上。通常一個DRP, 內部的Rd 和Rp是通過一個開關來選定的，這樣保證埠在同一時刻不會既是DFP 又是UFP。

　　USB Type-C是物理接口，要實現更多功能則需要在接口上實現USB PD協議，USB PD協議在USB Type-C的CC通道上實現，是一種主從單線通訊協議，採用BMC編碼，CC通道上並不負責高速數據的傳輸，而是實現控制及產品基本信息的交互。

　　很多設計者都有個誤區，認為USB PD只是供電的相關協議，實際上，USB PD是USB Type-C的靈魂所在。 比如要實現角色的切換，必須用到USB PD, 又比如要實現包括視頻等高速數據傳輸，也必須用到USB PD協議，通過協議中的VDM消息才能建立包括DisplayPort等的各種可選模式(Alt Mode)連接，從而實現視頻數據傳輸，關於USB Type-C可選模式設計的基本知識，請參考賽普拉斯相關網頁

　　http://www.cypress.com/documentation/reference-designs/ez-pd-ccg3-usb-type-c-displayport-cable-solution

　　Dock 基本概念的介紹：

　　Dock，又叫做擴展塢，這類產品的流行是因為筆記本電腦的USB或者視頻等接口數量有限， 用戶希望擴展出更多數量的或者更多種類的接口，來滿足多元應用需求。由於筆記本接口輸出功率的限制，擴展塢通常需要通過自己的電源適配器供電。

　　USB Type-C接口的出現進一步擴展了Dock的應用場景以及功能性。本文所指的Dock是：本身具有電源調節能力的擴展塢，區別於目前市面上本身不具有調壓能力的可充電轉換器產品(如：蘋果推出的 1轉3 轉換器)。

　　圖7為傳統Dock產品示意圖，這種Dock的體積和重量都決定了它不便於攜帶，市場上各個品牌廠商的Dock通常也都不能通用，USB Type-C的出現賦予了Dock多元的設計要素，具體表現如下：(產品示意圖如圖8所示)

　　1. 接口簡單，上行接口只需要一個USB Type-C口，不需要與筆記本的總線進行複雜的線纜連接;

　　2. 一口多用，在傳輸數據的同時可以給筆記本充電，並且播放筆記本中的視頻;

　　3. 兼容廣泛，USB Type-C Dock都遵從標準USB PD協議，不同品牌的USB Type-C電腦和USB Type-C Dock理論上可以互相兼容;

　　4. 適配各類USB Type-C 主機，USB Type-C Dock不僅僅只能搭配筆記本電腦，同時也能用在平板電腦和手機上;

　　5. 體積超小，可以隨身攜帶。

　　(註：圖示只是示意圖)

　　圖7 傳統Dock

　　圖8 USB Type-C Dock

　　USB Type-C Dock Station的設計

　　1. Docking中電源設計注意事項：

　　如上文所述在做Dock設計時，需要設計Dock給手機或筆記本充電的能力，在USB PD協議中要求電源輸出設計在功率足夠的情況下至少遵從以下規則：

　　圖9 標準PD電源輸出規則

　　圖9的含義是，在輸出功率大於15W/27W/45W的情況下，輸出的電源能力(PDO)一定要包含9V、15V及20V，例如，Dock的輸出能力為30W,則PDO應至少包含5V@3A，9V@3A和15V@2A，其他電壓值都是可選的，不做強制規定，USB PD協議的這個規定是為了提高不同廠商產品的兼容性，增強USB Type-C的通用性。

　　2. Cypress的Dock解決方案簡介

　　圖10是Dock類設計的簡略結構框圖，Dock採用直流接口供電，具有一個連接筆記本/平板或手機的上位USB Type-C接口，一個作為DFP輸出USB數據及電源的下位USB Type-C接口，兩個圖形輸出接口，一個網口，一個音頻接口，兩個USB3.0和USB2.0接口，所用到的晶片主要有DP Splitter(也可以用DP Switch降低成本)， DP-HDMI轉換晶片，DC-DC轉換晶片，HUB晶片，數字音頻轉換晶片和USB PD晶片，下面著重介紹一下USB PD晶片。

　　圖10是Dock簡略框圖

　　Cypress EZ-PD CCG4/4M的內部結構概圖如圖11，該晶片以一個ARM Cortex M0內核作為主控集成了通用微處理器的外圍組件，集成了USB PD3.0的解碼器及USB Type-C的相關外圍組件，具備128KB片上Flash，8KB SRAM，因此既可以作為PD3.0的協議控制器，也能做通用處理器處理系統事務。Dock設計中推薦使用CCG4產品主要是因為該系列產品廣泛應用於各大OEM廠商的筆記本及複雜USB Type-C Dock擴展器設計中，具有良好的兼容性，和成熟的SDK(軟體開發包)，SDK擴展性良好，設計工程師易於開發[1]。

　　CCG4作為USB Type-C DRP角色工作[2]，在Dock中主要負責的功能：

　　1. 處理USB Type-C事務，例如作為雙向角色DRP處理接口拔插，正反插事務。

　　2. 處理USB PD3.0協議事務，例如電源事件處理，ALT MODE事件響應等。

　　3. 根據USB PD事件控制電源模塊-----包括輸出功率控制，模塊電源開斷，系統電源控制等。

　　4. 根據ALT MODE事件切換Video模塊工作模式(例如2/4 Lane 切換，監控顯示器插入信號)，並響應USB Billboard事件。

　　5. 其他板級事件----例如LED控制，按鍵控制等。

　　圖11 Cypress CCG4/4M的結構概圖

　　DMC(全稱Dock Management Controller)推薦使用Cypress的CY7C65219，DMC最主要的功能[3]是

　　1. 作為USB Billboard通知主機ALT MODE狀態事件

　　2. 作為在線升級控制器處理USB事務，接收數據包，並通過I2C或其他板上接口對其他晶片升級。

　　3. 作為EC(全稱Embedded Controller)對PD控制器或其他晶片進行任務協調和擴展。

　　HUB推薦使用Cypress USB3.1 Gen1的HX3系列(CYUSB3314)可以單獨使能每個下行口的BC1.2，DCP，Apple Charging，Ghost Charging等功能，它具備Shared Link功能， 在嵌入式設計時，能將下行口的USB3.0的Super Speed信號和High Speed信號拆分成兩組獨立使用[4]。另外USB2.0 HUB的HX2VL系列具有外圍簡單性能穩定和低功耗的優勢[5]，也是業界較受認可的選擇。

　　電源控制晶片可以考慮ON-SEMI採用I2C控制的寬範圍輸入輸出開關電源，有利於減少IO佔用。MUX和DP轉HDMI轉換器可以考慮Diode(Pericom)或者Parade。

　　3. Dock方案中的在線升級功能---提升終端客戶體驗

　　在廠商開發自己的產品過程中，如何保證產品的高質量：

　　1. 量產前合理的測試方案(可根據系統廠商原有經驗實施);

　　2. 保證產品靈活的接口特性(增加在線升級功能)

　　Cypress目前有成熟的Dock在線升級方案，圖12展示了Dock在線升級的拓撲結構，DMC通過USB2.0接收主機端升級命令和數據，再通過I2C或者其他板級通信協議中轉到各外部晶片上進行升級。

　　　　圖12 Dock在線升級的拓撲結構

　　DMC主要具備兩個USB接口，一個是USB Billboard類，主要用於標準USB Billboard事務處理。一個是WINUSB類，這種設備類在WIN10上有預裝的驅動程序，可以免去使用者使用麻煩，更重要的是在Windows移動終端作業系統上也支持這種設備類，使得Dock無論在搭配筆記本電腦還是手機平板都能實現功能升級，同時DMC將使用USB控制端點傳輸命令，再通過批量端點傳送各晶片固件的二進位文件。該Dock方案中在升級軟體與DMC建立連結後，所有升級動作由DMC主動發起，所以在不同Dock應用中是可以使用相同的系統端升級軟體的，並且由於CY7C65219 集成了加解密IP，在特殊應用中也可以通過DMC發起密匙配對識別升級來源是否是安全的。

　　值得注意的是在DMC升級系統部件的過程中，可能某些部件會有主動操作I2C總線的行為，這是需要設計者考慮進去的，這種情況建議設計師建立兩顆晶片間操作總線的互斥原則，並在FW中做相應設置。

　　4. Dock解決方案中的固件流程

　　Dock的解決方案中會涉及大量晶片與晶片之間的溝通，例如：USB PD晶片需要根據USB PD 溝通的信息進行調整電壓，涉及與DC-DC電源之間的溝通; USB PD晶片需要識別正反插，涉及與MUX之間的溝通等等。

　　系統I2C的基本控制拓撲結構可簡化為圖13.

 

　　　圖13 Dock的I2C控制拓撲結構

　　Dock中CCG4會通過I2C控制大部分外圍晶片，主要是實現前文提到的電源控制，上下行USB Type-C口的正反插控制，視頻部分的控制，圖14的流程圖說明了在USB PD軟體開發時的流程。

　　圖14 CCG4 USB PD控制器軟體流程圖

　　CCG4已經完成了全部USB Type-C及USB PD的功能，流程圖中重點突出了應用層需要完成的工作，基本上流程中所需要處理的事件都是CCG4 SDK會通報出的協議棧事件[6]，開發者可以將更多精力放在功能應用層面，為用戶提供創新實用的Dock產品。

　　圖15 Cypress DMC軟體流程圖

　　圖15揭示了Cypress DMC的軟體流程圖，實際上這些事務在DMC的架構中已經構建並充分驗證，開發者不需要做更改即可使用，在Dock設計中，為了增強事務處理的實時性，建議儘量在CCG4中做事件處理。

　　5. Dock解決方案中的軟體開發

　　本文中擴展塢推薦採用的Cypress系列PD控制器設計，他們推出了成熟的配套軟體開發包(SDK)， 開發者可以免費使用軟體開發包完成個性化的功能設計，圖16是Cypress CCGx 軟體開發包界面， 該開發軟體採用模塊化的方式調用內部資源(比如I2C,PWM等)，並自動生成相應API供開發者使用，並能像FPGA一樣調整IO順序，使開發者上手容易[7]。

　　CCGx的軟體開發包將Type-C和USB PD的協議棧封裝成了庫，提供出API接口供使用者調用，除了部分特定功能的IO外，其他的GPIO及內部資源可以當成通用的MCU使用，使晶片性能在系統中可以充分利用。

　　圖16 Cypress CCGx 軟體開發包界面

　　6. Dock解決方案中的注意事項

　　電腦擴展塢是一個比較複雜的封閉系統，因為擴展塢通常具有多種不同外部接口，對應的在設計中對系統有一些注意事項：

　　3. 電源的分配，比如供電電源能力的計算，對每個模塊及接口電源的分配需要匹配

　　4. 對數據帶寬的分配

　　5. 對系統休眠狀態的省電控制

　　6. 人機互動方式的設計

　　總結

　　USB Type-C在逐漸統一筆記本及移動終端設備外部接口，在趨勢的推動下，基於USB Type-C接口的Dock設計必將受到廣大用戶的歡迎，尤其是在手機和平板性能越發強大的今天，可攜式Dock讓用戶隨時隨地可以將手機、平板變身成完整的電腦，本文介紹的基於Cypress CCG4 USB PD控制器的Dock設計方式為廣大外設廠商提供了一個具有參考價值的設計思路和理念。

　　引用：

　　1. AN210771 - Getting Started with EZ-PD™ CCG4

　　(http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an210771-getting-started-ez-pd-ccg4?source=search&cat=technical_documents)

　　2. AN210403 - Hardware Design Guidelines for Dual Role Port Applications Using EZ-PD™ USB Type-C Controllers

　　(http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an210403-hardware-design-guidelines-dual-role-port-applications?source=search&cat=technical_documents)

　　3. EZ-PD™ CCG3 USB Type-C Port Controller Datasheet

　　(http://www.cypress.com/documentation/datasheets/ez-pd-ccg3-datasheet-usb-type-c-controller-power-delivery)

　　4. AN94150-Designing a SuperSpeed Hub Using HX3 with Optimized BOM (http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an94150-designing-superspeed-hub-using-hx3-optimized-bom?source=search&cat=technical_documents)

　　5. AN72332 - Guidelines on System Design Using Cypress’s USB 2.0 Hub (HX2VL)

　　(http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an72332-guidelines-system-design-using-cypresss-usb-20-hub-hx2vl?source=search&cat=technical_documents)

　　6. EZ-PD Software Development Kit

　　(http://www.cypress.com/documentation/software-and-drivers/ez-pd-software-development-kit?source=search&cat=software_tools)

　　7. PSoC® Creator™ Integrated Design Environment (IDE)

　　(http://www.cypress.com/products/psoc-creator-integrated-design-environment-ide)