五大规格特色突显 USB Type-C应用加温

作者:Abdullah Raouf(莱迪思半导体资深行销经理)
USB Type-C在电脑运算和消费电子市场已获得诸多关注。集功能性与满足消费者的诉求于一体,USB Type-C有望成为最受欢迎的介面之一,但同时也可能是最令人困惑的传输介面。
(右图按照DSC规范进行2.5x压缩,左图则未经压缩。一般很难看出两者的差别。)

替代模式(Alternate Mode, Alt Mode)、外设模式(Accessory Mode)、结构化(Structured)供应商自订讯息(Vendor Defined Messaging, VDM)以及非结构化(Unstructured) VDM等各种术语使得消费者和技术人员摸不著头绪。这些术语定义了USB Type-C介面是如何支援各种非USB功能。本文将为读者解析USB Type-C介面可支援的所有非USB功能、系统工程师所需的元件以及消费者需要了解的功能。本文也将讨论影音模式、数据模式、音讯模式、调试模式以及高功率供电模式。

USB Type-C运用介面五大特色

USB Type-C具有五项主要特色使其成为可灵活扩展运用的介面。

供电

USB Type-C介面预设的5V供电可与先前的USB介面向下相容。不仅如此,全新的USB Type-C介面含4个引脚分别用于供电和接地。结合USB供电规范(USB Power Delivery Specification)可使USB Type-C连接埠最高支援20V的电压及5A的电流。

对称的连接

USB Type-C连接器是对称的,其插头及缆线方向正反皆可。插头可正反插解决先前连接器所带来的主要问题。过去,连接器的种类定义连结装置的功能(Type-A用于主机,Type-B用于外部装置)。USB Type-C连接器可以插入两端中的任一端,而功能则由被连接的硬体决定。USB Type-C缆线两端的连接器是相同的,因此缆线的插拔得以简化。

频宽

USB Type-C支援USB 2.0、USB 3.1 Gen 1(SuperSpeed USB 5Gbit/s)和USB 3.1 Gen 2(SuperSpeed USB 10Gbit/s)资料速率。USB 2.0和USB 3.1分别由不同的规格定义。SuperSpeed USB差分讯号分配于连接器外部的两侧,因此以任一方向插入介面时仅会使用到一组SuperSpeed USB讯号传输连接。

通道配置

USB Type-C连接器含2个用于功能协商的通道配置讯号(CC1&CC2)。可确认连接器插入方向,并用于协商连接器上的供电功能、替代模式和外设模式。

非USB讯号传输

USB Type-C连接器支援多种原始设备制造商(OEM)产品定制模式,以扩展装置功能。图1可见USB Type-C的引脚图。其中部份引脚可依据产品类型重新设置功能。图中黄色标示部分的引脚可透过全功能的USB Type-C缆线进行重新配置。而橘色标示部分的引脚也可重新配置用于直连应用(Direct Connect Application)。

“五大规格特色突显 USB

图1 USB Type-C介面引脚图

讯号的重新分配需透过配置通道(Configuration Channel, CC)上的协商实现。介面可进行外设模式和替代模式。若要进行外设模式,CC通道将用于简单的逻辑性检测以确认需要何种外设模式。若要进行替代模式,CC通道将使用双相符号编码(Biphase Mark Code, BMC)进行双向通讯以正确地设置连接。在协商过程中,两端的装置在进行任何改变之前对讯号的重新配置需一致。所有USB Type-C连接埠均需在非替代模式或非外设模式下能够与USB连接埠相容使用。

外设模式实作方法

外设模式支援透过USB Type-C连接埠传输模拟复合或色差影像讯号。在音讯模式下,音讯输出来源装置(如手机或笔记型电脑)能够透过USB 2.0(D+/D-)引脚传输模拟复合讯号(R/L),同时透过其中一条的边带讯号(SBU1或SBU2)接收来自外部音讯源的麦克风讯号。在不久的将来,外设模式预计能支援数位音讯。外设模式需要使用简单的直流电压比较器,检测连接所需的外设模式种类。此检测模块可由音讯源装置执行。一旦检测完毕,音讯源装置需用于支援音讯讯号的类比开关,并透过相同引脚传输音讯时隔离USB 2.0讯号,如图2所示。由于并非所有手机/笔记型电脑皆有外设模式,所以消费者需详阅电子装置的资料以确定其是否支援透过USB Type-C连接器传输音讯。

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图2 透过USB Type-C支援音讯外设模式的系统结构图

PDO/供电传输协议实现USB Type-C电力传输

供电资料物件(Power Data Object, PDO)为包含可透过USB Type-C传输的电压和电流效能的资料封包。每个USB Type-C连接埠(支援供电)在新建连接时可发送最多6个PDO。随后接收装置会筛选这6个PDO,在确定合适的电压和电流配对后建立供电协定,进而实现USB Type-C连接埠间的电力传输。USB type-C支援的电压范围为0V至20V,以50mV幅度增减,支援的电流范围为0A至5A,以10mA幅度增减。USB Type-C介面必须支援5V@900mA供电,其他电压与电流参数均为选项。消费者在购买USB Type-C充电器时必须仔细确认其功能及要求,以满足快速充电的需求。否则消费者将可能遇到仅有1个PDO相符的局面,即5V@900mA(4.5W)。基于上述情况,未来的设计发展将使消费者能够更加方便地配对供电和用电装置。

三大结构化VDM替代模式

替代模式是透过USB Type-C连接器协商和传输非USB资料的另一种选择方式。目前已有2款与USB开发者论坛(USB Implementers Forum)达成合作协定的标准化替代模式—DisplayPort和MHL,分别由其所属的标准组织开发。其中,Thunderbolt 3是英特尔(Intel)开发的私有替代模式。

DisplayPort和MHL致力于支援USB Type-C的产品连接至外部显示器,而Intel最新的Alpine Ridge控制器,整合PCI Express Gen3和USB 3.1 Gen 2功能为Thunderbolt新增资料支援的附加层。根据arstechnica的报导,Thunderbolt替代模式凭借其整合功能可提供USB Type-C最高级的协定支援,除支援PCI Express Gen 3、USB 3.1 Gen 2、DisplayPort 1.2以及Thunderbolt外,Thunderbolt 3支援最高40Gbit/s速率,相当于驱动两个4K 60fps显示器或一个5K 60fps显示器所需的频宽。

另一方面,DisplayPort更注重影像解析度,致力于透过单一USB Type-C连接埠传输8K解析度影像。DP1.3能够提供32.4Gbit/s速率,支援无视觉失真的影像资料,依据VESA FAQ页面提供的资讯,此速率可满足8K 60fps 4:2:0的影像传输要求。

第二种适用于USB Type-C的标准化替代模式为MHL,能够支援压缩或无压缩的影像讯号。在未经压缩的情况下,MHL可提供24Gbit/s的速率,适用于4K 60fps 12位元色深的影像传输。使用显示流压缩(Display Stream Compression, DSC)技术后,MHL可支援高达72Gbit/s的速率,满足8K 60fps 4:4:4影像传输的频宽需求,这使得MHL成为满足有效影音频宽需求的首选。DSC是基于行的压缩演算法,可提供无视觉失真的解决方案,同时将使用压缩技术所产生的影像延迟降到最低。由图3可见使用DSC前和使用DSC后的图像实例。

图3 右图按照DSC规范进行2.5x压缩,左图则未经压缩。一般很难看出两者的差别。

图3 右图按照DSC规范进行2.5x压缩,左图则未经压缩。一般很难看出两者的差别。

系统架构工程师必须先选择可支援所需选标准的晶片组,以运用上述两种标准化替代模式。Intel是Thunderbolt的独家供应商,而MHL或DisplayPort则有众多供应商。由于没有特定的品牌限制,消费者在购买产品前需阅读产品文件以了解产品支援何种替代模式,避免发生购买了支援DisplayPort USB Type-C产品却将其连接到MHL配件的情况。

结构化/非结构化VDM

结构化和非结构化VDM均建立于SVID(标准ID或供应商ID)并由USB-IF核准,以确保两者皆为独一无二。标准ID被指定为标准化替代模式,适用于整个USB Type-C生态系统(如MHL和DisplayPort)。供应商ID仅适用于某个企业,可能不为大众所知。

USB供电(USB Power Delivery, USB PD)讯息/指令由上述标准或供应商独家定义。结构化VDM讯息在USB PD规格中定义为可扩展的指令,是进入和退出替代模式的主要机制。非结构化VDM完全由供应商定义,并普遍(但非必需)在替代模式中使用一次。举例来说,一旦进入替代模式,可能会持续发送结构化VDM以管理替代模式的运行。不过有些指令的需求是很难用结构化VDM来支援。

提高消费者了解程度为USB Type-C成功关键

USB Type-C成功的关键在于教育消费者并提升了解程度。在初次面对消费者时应著重强调USB Type-C的全新优势:

.正反插皆可的插头与缆线方向。
.搭配USB供电协定,可灵活且快速的支援高达20V的电压和高达5A的电流为装置充电。
.设计用于支援选择性的讯号传输模式,如音讯耳机和影像输出。

消费者在购买USB Type-C充电器时需要确认充电器是否满足装置的快速充电功能要求(电压和电流)以享受最快的充电体验。并非所有的手机和笔记型电脑皆支援外设模式,所以消费者需要确认产品是否具备所需的功能,如USB Type-C介面是否支援音讯模式。由于替代模式没有特定的品牌限制,因此消费者需确认产品支援何种替代模式(如MHL、DisplayPort或Thunderbolt)。

来源:新通讯

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