【導讀】最新推出的USB Type-C速度更快、電力傳輸效能更佳，更可支援多種影音傳輸協定。不過，由于功能與用途更為復雜，應用開發者在整合USB Type-C介面時，也得把更多細節考慮進去。善加利用參考設計，將可有效解決應用開發過程中遇到的疑難雜癥。
大多數常用的電子設備，都配有某種類型的通用序列匯流排(USB)連接埠。此類連接埠包括Micro、Mini、Type-A，且皆可採用不同的標淮，例如2.0或是更新的3.1。相較于這些連接埠，USB Type-C的功能可說有了大幅的躍進，而且速度更快、電力傳輸效能更佳。利用此更為先進的接頭，可解決其前代產品出現的所有問題。Type-C可處理高速資料、視訊以及大量電力。藉由Type-C的這些擴充功能，消費者只須使用Type-C連接線即可實現充電、串流視訊或傳輸資料，不必再大費周章地使用各種連接線。製造商基本上只須在其裝置中提供與開發Type-C連接埠即可支援不同用途。
支援多通訊協定 Type-C提高裝置可用性
Type-C的多功能性使得設計變得十分複雜，因為在使用連接線、連接埠、Dongles和集線器時，USB極為簡單的內部運作現已為較複雜的嵌入式元件所取代。看似簡單的HDMI轉Type-C連接線在設計上卻不容易，原因就在于需要嵌入式裝置。在開發Type-C解決方案時出現兩個主要難題，第一是處理連接埠能夠提供的大范圍電力。第二是避免因支援的通訊標淮增加而可能發生的通訊失敗問題。當連接兩個裝置時，電力傳輸(Power Delivery, PD)協定即開始執行。
該程序須要針對傳輸的電量、電源供應器與電力消耗裝置進行協商。由于此通訊需要偵測、讀取與處理類比和數位訊號，因此需要透過主機連接埠、連接線或Dongles中的嵌入式MCU取得MCU功能。當裝置或主機彼此無法支援且無法建立通訊時，就會發生故障。偵測到訊號后會將訊號傳輸至主機，并且需要進一步的MCU功能。
USB Type-C不但能夠減少使用的連接線，還可確保裝置之間順利協作，為使用者和消費者的生活帶來相當大的便利性，但卻也會為設計者和開發人員帶來麻煩。目前，市面上已有很多類型的USB連接埠和連接線，包括Mini、Micro、Type-A、Type-B等。繁多的種類很容易造成混淆，例如行動電話的連接埠與筆記型電腦的連接埠不同，而筆記型電腦的連接埠又和數位相機的連接埠不同。USB Type-C 將大部分的連接縮減成單一標淮(圖1)，可涵蓋所有裝置并提高可用性。USB Type-C可支援多個通訊協定，并且可向后相容于USB 2.0。監視器、耳機、充電器以及鍵盤等幾乎所有配件都能使用USB Type-C與電腦、平板電腦和智慧型手機等裝置進行通訊。
連接埠與連接線的配置如圖2、圖3所示。由于插座連接埠中的訊號採用對稱設計，因此翻轉插頭并不會造成任何問題。USB 3.1 SuperSpeed TX/RX、VBUS、GND以及所有其他引腳會正確連接，不必考慮方向性。從使用者角度來看，因為Type-C連接線可以任一方向插入，因此是Type-A連接埠的升級版。
USB Type-C具有多功能且方便易用，但卻增加了採用USB Type-C的裝置的內部複雜性。雖然增加功率容量，可提供高達100W的電力，為高電流裝置充電，但也為不需要如此高功率的裝置造成問題。電力傳輸協定也因此應運而生。PD可確保透過任何連接裝置傳輸或獲得適當范圍的功率。
主機下行/裝置上行連接埠 兩者須在功率達成一致
在討論USB Type-C之前，有必要先對裝置、主機、電源供應器(電源)和電源接收器(消耗裝置)進行區分。主機不一定是電源，因此這兩個名詞不能夠交替使用。主機發起所有通訊而裝置做出回應。一般而言，主機是下行連接埠(或稱為DFP)；裝置則是上行連接埠(或稱為UFP)。如果連接兩臺主機，則主機可充當雙重用途連接埠(或稱為DRP)，在主機和裝置角色之間切換。以下例子針對上述辭藻提供說明：將鍵盤連接至筆記型電腦時，鍵盤是UFP和消耗裝置，而筆記型電腦是DFP和電源。
連接裝置之間的初始電力傳輸協議是透過一系列電阻器執行，當Type-C插頭插入插座時，這些電阻器充當CC線路上的分壓器。由于插頭中的CC線路會連接至插座中的CC1或CC2，因此插座只要測量CC1和CC2線路上的電壓，即可判定插頭的方向。上拉電阻的不同數值可傳達電源能夠提供的電流量，同時可確定UFP和DFP分別是什么。電力消耗裝置沒有辦法透過不同的下拉電阻值指出其消耗的電流量，而是必須不斷地調整其負載以符合電源供應器可提供的最大電流。
為了能夠正確讀取分壓器，兩個裝置都需要有類比處理單元，通常是以MCU內部精淮的ADC形式出現。ADC可持續測量CC線路上的電壓，藉此監控插頭與插座之間的連接。MCU也稱為PD控制器，可處理完整的實體層以及上層協定，也會與正在傳輸或接收的功率進行協商。若針對簡單的Type-C應用，功率協商機制可使用電阻停止。但是為了提供更具適應性的設計，裝置可透過在CC線路上進行通訊，對于不同的設定達成一致意見。
決定插頭方向以及初始功率之后，裝置會使用CC線路彼此通訊(圖4)。透過這種方式，裝置可以在不同的電源功率上達成一致，并且指定消耗裝置或電源，以即時調節電力傳輸。CC線路通訊也可以用于通知將使用的通訊類型。如先前所述，USB Type-C可于高速線路、USB 2.0等進行通訊。裝置會通知這些線路中可以透過CC線路使用的線路。但是并非所有裝置都支援所有通訊協定。
如果兩個連接裝置彼此并不支援，則會出現故障。舉例來說，如果只能從主機接收視訊的監視器連接至無法支援或提供視訊資料的主機，將會出現故障。如果發生這種情況，主機仍然無法獲知失敗，原因是無法建立通訊。有鑒于此，USB Type-C標淮要求監視器上的嵌入式裝置或是裝置端作為故障防護裝置，也稱為告示裝置。告示裝置會在無法建立通訊的D+和D-線路上透過USB 2.0標淮將訊號傳送至主機。然后，主機會通知使用者兩個裝置并不相容(圖5)。告示裝置一般會是MCU，可能和PD控制器相同。
實現舊設備轉接 Dongle扮演功率協商角色
如要使用者想要使用不支援USB Type-C的舊型周邊設備，則須要使用轉換線或Dongle。有幾點須要解釋，第一是簡單的USB 2.0轉Type-C。由于USB 2.0不支援較高速度，且在Vbus上不需要5V或3A以上的電壓或電流，因此連接線只須將D+/D-、Vbus和GND傳送至接頭即可。而比較困難的是如何開發Type-C轉Type-C連接線、轉換USB 3.0/1為Type-C的Dongle，或是在Vbus上需要5V或3A以上電壓或電流的裝置。
在這些情況下，Dongle成為兩個裝置間功率協商的一部分，要求連接線或Dongles具有嵌入式PD控制器。PD控制器最初是透過設定為5V的Vbus或是Vconn線路供電，接下來會與主機協商，就Vbus線路中的電源功率達成一致意見。圖6顯示電子標記的連接線組件，或EMCA范例，將兩個Type-C裝置連接在一起。PD控制器的電源可由Vconn1或Vconn2提供。EMCA會通知其在CC線路上的最大功率容量，電源則會作出相應調整。
替代模式(Alternate Mode)是Type-C介面的功能延伸，可允許Display Port、PCIe或其他通訊協定使用USB 3.1 SuperSpeed線。當轉接器與相容主機連接時，將會進入替代模式。支援替代模式的Dongle需要額外的預防措施與嵌入式裝置。Dongle必須告知主機其是否能夠進入替代模式以避免無訊息錯誤。
Dongle透過告示裝置進行通知，而USB Type-C PD標淮則授權任何替代模式配件執行告示裝置。圖6顯示可將舊型視訊連接埠轉換為Type-C的連接線。如果Type-C裝置不支援舊型視訊格式，PD控制器將通知告示裝置，接下來再將錯誤情況告知Type-C裝置。
比顯示埠/Type-C轉Type-C更加複雜的是擴充基座或集線器，其必須支援許多裝置的充電。集線器可以是多個Type-C或Type-A連接埠、HDMI、PCIe等的組合(圖7)。此集線器需多個嵌入式裝置，才能成功支援連接裝置。根據連接裝置的不同，每個連接埠所需的電量不同?？紤]到這一點，每個連接埠可能需要一個PD裝置。
任何視訊連接埠(例如顯示埠、VGA或HDMI)都需要告示裝置。此外，集線器需要裝置來控制傳到主機的流量。這一點相比Type-A集線器并無太大變化，因為須避免線路上產生碰撞，并且確保一次只有一個裝置與主機通訊。顯然，相對于先前簡單的集線器，現在對于設計的要求更復雜、更嚴苛。 更復雜的設計重任并不須要完全由開發人員承擔。Silicon Labs提供開發板、PD程式庫、告示原始碼以及用于Dongle、擴充基座和裝置連接埠的范例碼。客戶如果在開發新Type-C裝置時使用這些工具，可大幅減少投入USB Type-C開發的時間和精力。
開發板解決方案簡化Type-C設計
以下是該公司所提供的開發板，可利用充電功能執行VESA DisplayPort替代模式轉接器。類似的開發裝置可透過單一連接埠實現供電、充電以及視訊傳輸，進而增加主機上單一Type-C連接埠的功能。開發板上有兩個PD控制器，每個連接埠會使用一個，而告示裝置會透過另一個與DisplayPort搭配使用。參考設計可處理切換至替代模式、充電、告知主機錯誤情況，并且確保電力正確傳輸至顯示埠與主機。
從開發板開始(圖8)，在提供的韌體上作業，要比建立新平臺并從頭開始編寫韌體來得輕松、快速。制造商和供應商借此可以為Type-C解決方案提供更多功能，速度也比競爭對手更快。
該公司的MCU(例如，Busy Bee3)簡化了Type-C的設計，將PD功能融入僅3×3mm2的單晶片中，并提供精密震蕩器、硬體PD PHY層級，并且為客戶提供低物料成本PD解決方案。
參考設計中使用的Universal Bee1是提供告示功能的單晶片解決方案。整合式穩壓器、精密震蕩器、USB 2.0PHY層級以及USB引腳上的±8KV ESD保護，使得此3×3mm2裝置能夠執行告示功能，而無需外部元件。
USB Type-C是因應未來趨勢的標淮。從塞滿纜線的抽屜中找出正確的轉換頭或是纜線端的日子已不復見。展望未來，選擇連接線時須要判斷連接線是插頭或是插座，以及連接線是否能夠處理較高的電量。
現在，市場上已出現只採用Type-C 連接埠的智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦，而這些先驅裝置只是一個開端。盡管如此，Type-C還需要嵌入式裝置和韌體來處理大量功能，因而也為開發人員和製造商在移轉裝置時帶來龐大壓力，而Silicon Labs擁有參考設計、程式庫、韌體以及支援團隊，便可專門協助簡化Type-C在廣泛應用中的需求。
