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by DERUN

第五篇:USB Type-C PD運作原理

第五篇:USB Type-C PD運作原理
by DERUN

以往的各式連接器,為了避免路徑連接至錯誤的節點,其方向性都是固定的,纜線僅能由單一方向插入連接器,以致於使用者往往需要旋轉連接器方向數次,才能正確連接。

自USB Type-C連接器出現後,纜線正接或反接兩個方向都可插入連接器,其歸因於USB Type-C 連接器,上下左右近似對稱的腳位定義(圖一),並配合系統中的多工器(MUX)為各個路徑做切換,所以不論如何旋轉(圖二及圖三),都可連接至正確路徑。

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圖一

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圖二

旋轉 USB Type-C纜線的一端,如下圖

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圖三

USB Type-C 還有一項特色,它引入了電源供應角色溝通的功能,當USB Type-C纜線的兩端接上設備時,彼此會先透過CC pin,確立各自的角色與能力,以決定資料傳輸通道及電源供應的角色。

資料傳輸通道:

USB Type-C纜線上有兩組資料通道(Tx1/Rx1,Tx2/Rx2),藉由CC pin電壓偵測,可以確立資料傳輸的通道,選擇兩組中的一組。資料傳輸的主機(Host),例如筆記型電腦,稱之為下行埠 (Downstream Facing Port, DFP),資料傳輸的裝置(Device),例如隨身碟,稱之為上行埠 (Upstream Facing Port, UFP),部分設備可支援資料上的雙角色,即為(Dual Roles of Data, DRD)。

電源供應:

提供電源者稱為供應端 (Source),例如變壓器(Adapter),消耗電源者稱為接受端 (Sink),例如手機,部分設備可支援電源上的雙角色,即為(Dual Roles of Power, DRP),例如Notebook或行動電源。

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圖四

電源供應端 (Source)會在CC1和CC2配置Rp拉高電阻(Rp也可替換為電流源Ip,這在IC設計中較為容易),未接任和裝置時,為高電位。而電源接受端 (Sink)則是在CC1和CC2配置Rd拉低電阻(5.1KΩ),未接任和裝置時,為低電位。

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圖五

當電源供應端 (Source)與電源接受端 (Sink)連接後,CC1或CC2電位會藉由Rp與Rd產生分壓,此一電壓決定電源供應端 (Source)的輸出電流,已定義的電流共有三檔,如下表,輸出電壓只有5V單一個電壓檔位。

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圖六

下圖顯示電源供應端 (Source)與電源接受端 (Sink)連接後,由CC1電壓,約為1.68V,即決定電源供應端 (Source)最大輸出電流為3A

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圖七

若設備有支援 USB PD (Power Delivery) 協議,電源供應端 (Source)與電源接受端 (Sink)會透過CC的路徑,傳輸雙相標記碼(Bi-phase Mark Code, BMC),彼此溝通電源能力與需求,一旦電源供應端 (Source)與電源接受端 (Sink)完成溝通後,電源供應端 (Source) 會調整輸出電壓,以符合電源接受端 (Sink)的需求。

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圖八

USB PD常見到有四組輸出電壓:5V、9V、15V、20V。在一般情況下,最大輸出電流為3A,即60W (20V,3A)。

下圖顯示電源供應端 (Source)與電源接受端 (Sink)連接後,由CC1傳輸BMC編碼,決定電源供應端 (Source)輸出電壓由5V改為9V。

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圖九

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圖十

將BMC經由GRL-USB-PD-A1解碼器進行解碼,即可將CC通道上所溝通的訊息讀取出來。

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圖十一

USB PD3.0還可支援PPS (Programmable Power Supply),輸出電壓範圍也可從3.3V~21V,視各裝置的需求,最小能以每階20mV調整。
USB Type-C對纜線亦有所規範,承載電流在3A以下者,無強制規定需配置E-Marker IC,若承載電流在3A以上者,則電纜線內部必須配置E-Marker IC,透過VCONN對E-Marker IC供應電源,使E-Marker IC能提供纜線本身的各項資訊,在使用含有E-Marker IC的纜線時,輸出電流最大可達5A,即100W (20V,5A) 如圖。
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圖十二

總結

USB Type-C 支援比以往更廣泛的電源功率,可自行辨識供電/受電角色,同時擁有更多更快的訊號傳輸通道,更多的使用彈性,無疑能為使用者帶來更豐富的使用經驗。

參考資料

USB Type-C® Cable and Connector Specification

USB Power Delivery Specification Revision 1.0

USB Power Delivery Specification Revision 2.0

USB Power Delivery Specification Revision 3.0

USB Power Delivery Specification Revision 3.1

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