关于把USB（3.0老式端口转换为一个Type-C方法教学）

作者：安瓦尔萨达特博士，德州仪器(TI)高速接口系统经理。USB Type-C为最终用户提供了许多功能，包括高级灵活性和便利性。系统设计者必须仔细选择所提供的选项，使整个系统的成本可以控制在合理的范围内。有两个选项将对系统的成本和复杂性产生最大的影响。一个是Type-C 15W的内在动力，一个是增强供电能力和文章支持。本文讨论了如何实现USB Type-C端口并最小化其对现有系统的影响。

在电子行业，USB Type-C存在于每个系统设计者的脑海中。该接口将数据、电源和文章结合到一个连接器接口中。它给了设计师一个真正的机会，避免在全新的平台中使用圆柱形电源插孔连接器。USB Type-C支持USB 2.0和USB 3.1，并提供替代(alt)模式选项，例如用于文章的DisplayPort。USB Type-C引入了15W的固有电源容量，并在添加USB PD时引入了高达100W的增强电源容量。该接口引入了更小、更薄、更坚固的插座，可支持高达20Gbps的数据速率。这种电缆支持双向和可逆插拔，主机或客户端设备可以双向连接。系统设计者正在考虑如何为用户提供这些理想的特性和灵活性。

让让我们首先想象一下，设计师正在设计一个全新的笔记本平台。如果包含USB Type-C口，整体成本会增加多少？你需要多少全新的C型插座？都是全功能插座吗？USB Type-C为最终用户提供的灵活性和易用性也增加了系统实现的复杂性和成本。虽然全新的生态系统提供了更多的实施选择，但系统设计人员在尝试使用这种技术时必须谨慎，以将其总体成本保持在可接受的范围内。

那么，全新的笔记本平台是什么样子的呢？一些系统设计人员可能会选择只包括一个全功能的C型端口，并通过USB-PD提供增强的电源功能。这个超级端口将支持Alt模式文章。为了节省成本和降低复杂性，设计师可能希望使用其他端口来提供简化的功能，例如15W固有的Type-C电源功能和USB数据支持。

一个主要的考虑是用USB Type-C替换之前的USB插座，同时尽量减少对现有平台的影响。本文概述了如何将旧的USB 3.0端口转换为USB 3.1 Type-C端口，只需做最小的更改。

C型USB 3.1的实现

USB Type-C是两端相同的连接器。——主机和客户端设备有相同的插座，电缆两端有相同的插头。图1显示了USB Type-C插座的引脚图。需要注意的是，24针接口是对称布置的，这样更容易翻转线缆。

图1:USB Type-C插座的引脚图(前视图)来源：Type-C技术规格

除了USB 3.1 TX、RX和USB 2.0 D、D信号之外，还有两个CC引脚用于通道配置(CC)和USB-PD通信。典型的系统实现是通过短截线连接来短接两个D信号和两个D信号，因此不再需要使用USB 2.0多路复用器(mux)来适应插头翻转。然而，出于对信号完整性的考虑，Type-C接口的每一端都需要2:1复用器，因此USB 3.1信号的短截线连接是不可行的。如果使用Alt模式，则需要USB-PD功能，复用配置会变得更加复杂。

典型的USB 3.1实现包括两个基本功能：用于管理链路的CC控制器；用于RX和TX信号的USB 3.1多路复用器，用于根据C型插头方向选择连接的端子。CC控制器需要能够根据所需的系统操作模式将自身配置为下游端口(DFP)、上游端口(UFP)或两用端口(DRP)。表1总结了不同应用的数据/电源工作模式。

图2:USB Type-C应用的设备数据/电源类别

USB Type-C的主机-客户端实现

USB Type-C包括通道配置功能；此功能可以在DFP和UFP之间建立USB链接。在USB端口的传统定义中，DFP端口可以被视为主机，而UFP可以被视为设备。CC函数用于确定以下内容：

检测DFP-UFP连接/断开和插头方向DFP-UFP(主机到设备)和供电关系(供电方/用电方)3354在没有USB-PD默认的情况下，DFP(源)供电，UFP(灌)消耗供电方的USB Type-C VBUS电流，用电方检测到。一旦连接，电源和数据传输只能通过USB-PD使用。

即使一个插座有两个CC引脚，CC1和CC2，电缆中也只有一根CC线连接。对于每个CC引脚，DFP有一个上拉电压，UFP有一个下拉电压。监控CC引脚上的额定电压可提供方向和连接检测。

图3:通道配置的上拉/下拉模型

DFP使用不同的电阻上拉(或电流源)值通知其电流提供商其电源能力。或者，UFP通过采用下拉电阻并执行电压比较来检测其功耗。没有USB-PD，有三种可能的电源设置：——之前的默认值(USB 3.1 900ma，USB 2.0 500ma)，VBUS上5V电压，1.5A，3A电流。

图4显示了USB Type-C的典型主机-客户端(DFP/UFP)实施。USB 3.1主机的一个例子是台式机或笔记本电脑。PC中的Type-C端口类似于DFP，作为USB主机运行，为客户端设备供电。另一方面，USB超高速客户端设备的典型示例是便携式硬盘。该硬盘作为USB设备运行，由VBUS供电。

图4:USB Type-c的典型主机-客户端(DFP-UFP)实现

根据C类技术规范，客户/用户负责管理功耗。因此，客户端设备需要根据主机的当前通知来动态控制功耗。另一种方法是将流量消耗保持在默认限制内。DFP还可以实现附件系统保护功能的电流限制。

如果DFP支持USB 3.1，它需要使用VCONN为USB Type-C电缆中的有源电子设备提供5V电源。VCONN通过插座的CC引脚(CC1或CC2)施加；插座不通过线缆中的CC线连接。相反，它向插头附近的电路供电。需要注意的是，每根全功能C类电缆都需要有电子标记。此外，较长的电缆可能需要有源信号调节器。

USB Type-C两用端口的实现

USB Type-C也定义了一个DRP；在建立稳定的连接状态之前，它会交替地将自己标识为DFP或UFP。如果DRP与DFP或UFP配对，它将分别作为DFP或UFP运行。如果两个DRP成对使用，结果是随机的，但是会受到两个可选函数的影响：Try。SRC并尝试。SNK如果在另一端没有偏好，一个DRP用试试。SRC更有可能成为DFP(源)，而DRP则带有Try。SNK更有可能成为UFP(灌溉)。这些特征对于实现生态系统中供应商和消费者之间的有序关系非常重要。比如笔记本电脑要给手机供电，即使两者都有DRP功能。

图5:USB Type-C的典型DRP实现

C型USB 3.1解决方案

无需对系统进行重大重新设计，只需一个CC控制器设备即可轻松将现有USB平台(包括旧插座)转换为USB Type-C。要支持USB SuperSpeed，需要一个具有USB SuperSpeed多路复用功能的附加设备。

TUSB321是一款单芯片USB Type-C端口CC控制器，可配置为DFP、UFP或DRP。它是一个独立的设备。事实上，通过一些预设的配置，它可以在没有任何用户干预的情况下运行。然而，软件干预是可选的，它可以提供一些对设计者有用的其他功能。

图6:典型通道配置设备的功能框图

HD3SS3212是USB超高速无源多路复用器；它利用CC控制器提供的信号工程实验室(SEL)信号，选择有源USB 3.1信号来适配Type-C翻盖插头；对于高达10Gbps的数据速率，该插头支持USB 3.1 Gen 1和Gen 2。

图7:SS RX/TX对选择的多路复用器操作示例

一些系统可能需要USB SuperSpeed的增强信号来满足插座的要求。开关驱动多路复用器可以提供信号调理和USB超高速开关的双重功能。USB Type-C提供音频附件功能；该功能可以通过Type-C插座提供耳机和麦克风功能，从而消除了某些系统中对3.5毫米音频端口的需求。音频信号使用D、D-和USB信号。为了提供音频功能，需要一个额外的多路复用器，这超出了本文的范围。

摘要

由于其功能性和灵活性，USB Type-C将受到电子设备爱好者的广泛欢迎。系统开发和组件的成本不会因为这个巨大的优势而大幅增加。对于大多数基本实现，如USB和15W电压，这种转换很容易。您只需要升级插座，添加一个CC控制器和一个可选的USB 3.1 SS多路复用器。