一個下拉電阻引發的「血案」?樹莓派 4 的設計是怎麼翻車的?

2020-11-24 電子工程專輯


新出的樹莓派4出了個看起來有些坑的「BUG」，這使得它不能兼容自帶e-mark電子標記的USB Type-C線，比如蘋果Mac的充電線。



兩周前，樹莓派 Raspberry Pi  發布了最新的產品 Raspberry Pi 4 Model B，提供了一個 USB-C 供電埠。當時大家還在驚喜於該產品「飛躍式」的配置升級。

可惜的是，現在它被發現USB-C口和很多Type-C線不兼容。

樹莓派4 是Raspberry Pi 第一款支持 USB-C 的設備。

我們從樹莓派官方發布的電路板原理圖可以看到，樹莓派4的電源設計出了問題。（https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/schematics/rpi_SCH_4b_4p0_reduced.pdf）

問題的根本原因是，樹莓派4 USB Type-C接口上的共用cc下拉電阻。看看下面的原理圖。



截取自Raspberry Pi 4 Model B原理圖



樹莓派4 CC電阻位置


對於大多數線纜/充電器而言，也就是不帶Emark晶片的USB-C，這不是問題，因為這類USB-C線僅用通過電纜連接的一條CC引腳，因此將正確地檢測到樹莓派並接收電力。

問題在於帶有兩個CC連接的Emark線纜。要理解這一點，請查看Type C規範文檔。（https://www.usb.org/document-library/usb-type-ctm-cable-and-connector-specification-revision-14-march-29-2019）



摘自Type-C規範


根據規範，源設備在檢測到連接的接收設備之前不會在連接器上提供電源。這是通過將Rd電阻（5.1K歐姆）接地來實現的。有源電纜還使用另一個值或電阻器Ra（800歐姆 -  1200歐姆）發出信號。Type-C規範有一個表，用於根據CC線的狀態查找連接了什麼。



摘自Type-C規範


在正確的操作中，充電器將檢測Rd電阻（Or Rd Ra cobination）並打開電源。但當使用在兩端呈現Ra的有源電纜時會出現問題。在源極側，一個CC引腳將連接到電纜中的Ra電阻，另一個CC引腳連接到樹莓派的CC線。樹莓派將兩條線連接在一起，因此呈現了電纜樹莓派端的Ra和Rd下拉的組合。假設Ra的平均值計算所呈現的電阻仍然給出在Ra範圍內的值。（同樣注意，當電纜電子設備汲取功率時，允許Ra電阻低於800，因此低於800的電阻也可能被檢測為Ra）。


將兩個Ra值呈現給源端，會導致樹莓派 4 被認為是「音頻適配器附件」。

也就是說電源端將被誤認為是一個模擬音頻接口，從而拒絕為樹莓派供電。



樹莓派4 連帶Emark 晶片的線纜時

樹莓派4 連不帶Emark 晶片線纜時

概括

簡單來說，樹莓派4 的設計錯誤，即，USB-C 埠上的兩個"CC" 本應該都有自己的 5.1K 電阻，結果 樹莓派4 的電路設計允許它們共享一個5.1K 電阻，這一設計破壞了樹莓派4與許多 USB-C 充電器的兼容性。

Raspberry Pi 聯合創始人 Eben Upton 表示，會在未來版本修正這一設計。眼下比較簡單的解決方法是，購買不帶e-mark電子標記的線纜或充電器。



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