USB Type-C扩展解决方案

红帽小生
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本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

USB Type-C类型的接口目前正在不断普及，是实现小型化微型化设备的最佳选择。很多轻薄本目前仅有USB Type-C接口，取消了Type-A等其它接口，为的就是更加的轻薄。在遇到需要其它接口的场景，就需要寻找扩展方案。

USB Type-C

USB Type-C型接口，由USB-IF组织制定。USB IF是英特尔在1995 年与业界同行成立的，全称USB Implementers Forum（通用接口业界联合组织）。因此英特尔必然是首先对Type-C表示认可并积极推广。目前USB IF董事会成员为惠普、英特尔、巨积、微软、瑞萨电子、恩法半导体。

从2013年开始，Type-C就陆续被各大厂商所认可，包括华硕，谷歌，英特尔等厂商，并相继推出相关产品。相比其它的USB接口，USB Type-C尺寸更小、集成度更高、使用更方便等优秀特性。USB Type-C 接口集数据传输，供电，和视频为一体。下图为USB Type-C的部分特性：

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可以看到，USB Type-C集成度非常高，不仅支持DP视频输出，还可以支持雷电。其支持雷电接口的协议也和英特尔的努力是分不开的。除了支持多种协议，Type-C还具有以下特性：

  1. 延续USB即插即用的便利优势。
  2. 物理接口十分小且薄，并支持正反插。
  3. 支持USB3.1 Gen2(10Gbps)。
  4. 同时支持DisplayPort数据输出(也可以支持雷电，HDMI数据输出)。　
  5. 支持高达20V 5A最大100W的标准电能传输。 上面提到的100W标准电能传输，是在USB PD(Power Delivery) 协议规范中定义的，标准输出能力。它是一种协商供电协议，非常灵活也非常智能。我的拯救者R9000P就有一个Type-C口支持100W PD快充。

USB PD协议也允许设计者使用厂商自定义命令即VDM(Vendor Defined Messages)传输更大电能或者其他客户需要的特殊的功能。综上所述，USB Type-C具备强大的功能和灵活性，为产品设计者各种创意提供了无限可能。

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可以看到，换成全功能Type-C以后，轻薄了很多。USB Type-C典型特点是支持正反插，避免过去USB口繁复的方向对准问题，给用户带来极大的便利性。这一功能的实现和接口物理信号的定义有直接关系，USB Type-C的接口信号示意图：

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完整的USB Type-C接口(插座)具有24个信号引脚，可以看到这些信号引脚的功能性呈180°旋转中心对称的关系排列，在接口物理结构上支持了USB Type-C正反插。

USB PD

USB Type-C对数据和供电定义了3种角色，分别是DRP(Dual-Role-Port双向接口), DFP(Downstream Facing Port数据下行接口), UFP(Upstream Facing Port数据上行接口)，同时还保留了Power Source/ Sink 的概念。DFP只能做Source，CC线上拉电阻Rp；UFP只能做Sink，CC线下拉电阻Rd；DRP两者都能做，通过switch切换Rp Rd。比如一般充电器是DFP，U盘是UFP，手机是DRP。

USB Type-C将数据角色和供电角色进行了分离，意味着一个端口数据和供电的方向可以相同也可以相反。 USB PD协议让端口的两种身份(数据和供电)可以自由组合，即一个端口可以是数据的主机，电源上却做受电角色。而传统的USB, 数据和供电的身份是绑定的，这样给应用带来很大的灵活性。

USB Type-C为了区分DFP与UFP的初始状态，使用了上(Rp)下(Rd)拉的电阻模型，如图:

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DFP通过监控CC (Configuration Channel)上的电压来确认是否有正确的连接，然后打开Vbus和Vconn给设备和线缆供电，如果是插座设计，DFP和UFP都需要根据CC1/CC2上不同的分压值确定设备插入的方向，切换内部开关将多组数据线以正确的顺序传输或者获取数据。CC信号线上进行Rp-Rd配对，这决定了DFP 和UFP角色。Vconn信号线上进行Rp-Ra配对，作用是给带E-marker的cable供电，并读取cable支持的速度和能承载的最大电流等线材相关信息。

上面讲述了DFP和UFP角色的功能，USB Type-C中还有一个特殊的双角色端口(DRP)，顾名思义，DRP是双向角色，也就是说一个DRP设备既能实现DFP功能，也能实现UFP功能，那么在DRP设备内是同时集成了Rp和Rd的，在CC通道上DRP设备分时连接Rp或者Rd，不会同时将它们连接在CC上。通常一个DRP, 内部的Rd 和Rp是通过一个开关来选定的，这样保证端口在同一时刻不会既是DFP 又是UFP。

USB Type-C是物理接口，要实现更多功能则需要在接口上实现USB PD协议，USB PD协议在USB Type-C的CC通道上实现，是一种主从单线通讯协议，采用BMC编码，CC通道上并不负责高速数据的传输，而是实现控制及产品基本信息的交互。

很多设计者都有个误区，认为USB PD只是供电的相关协议，实际上，USB PD是USB Type-C的灵魂所在。 比如要实现角色的切换，必须用到USB PD, 又比如要实现包括视频等高速数据传输，也必须用到USB PD协议，通过协议中的VDM消息才能建立包括DisplayPort等的各种可选模式(Alt Mode)连接，从而实现视频数据传输。

扩展方案

如果笔记本电脑仅有几个全功能Type-C，那么可以借助扩展坞实现全部使用场景。扩展坞设计就充分利用这种特性，就数据而言，针对于主机，它是从设备，而电源方面，它却要扮演源端(source), 为主机提供电源。USB PD协议中，数据和电源身份是可以动态依照情况而改变的，不是一层不变的。一个好消息是，2021年9月，USB-IF组织发布了最新的USB Type-C接口和线缆v2.1版本标准协议，供电能力从100W提升到了240W，未来游戏本甚至不需要单独的电源适配器了。

在为轻薄本选择扩展方案时，一定要注意，看看扩展坞是否带有独立供电接口。比如我看看这款：

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这款就没有单独供电，如果你是仅仅用鼠标、键盘、U盘等低功率的产品就不需要单独供电。如果你需要使用大功率电器、比如说移动硬盘、高清视频输出、显示器、投影仪等，那需要选择带有额外供电的款式。

还有一点要注意，我们需要选择Type-C接口的扩展坞，上图那个明显就不行，是Type-A接口的。最后一提，虽然目前电子设备都开始普及推广Type-C接口，但是苹果公司依然我行我素，使用他自家的Lightning接口。尽管业界大部分产品都在向USB-C方向发展，但苹果暂时不会使用USB-C来取代Lightning接口。包括之前大家都认为会改成Type-C接口的iPhone 13依然采用了Lightning接口。

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不过就在上周，2022年4月21日，据Apple Insider报道，欧盟官员投票支持一项计划已久的提案，要求苹果和所有科技公司采用 USB-C作为通用充电器，并增加对无线充电标准的新要求。其实统一接口的意义并不大，只是Lightning接口技术发展缓慢，远不如Type-C接口，所以当然希望用更好的。

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