USB-C 引脚分配和功能指南

这篇介绍性文章将着眼于 USB-C 标准的一些最重要的特性。

您知道如何使用 USB Type-C 连接器吗？本文对 USB Type-C 引脚进行剖析，并简要介绍其各种模式。

USB Type-C 是 USB 连接器系统的规范，它在智能手机和移动设备中越来越受欢迎，并且能够进行电力传输和数据传输。

与其前身 USB 不同，它还可以翻转，因此您无需尝试 3 次即可将其插入。

一个 USB Type-C 端口。图片由 Denys Vitali 提供

这篇介绍性文章将介绍 USB-C 标准的一些最重要的特性。在深入了解引脚排列并解释每个引脚的功能之前，我们将快速了解 USB-C 是什么以及它最擅长什么。

什么是 USB-C？

USB-C 是一种相对较新的标准，旨在提供高达 10Gb/s 的高速数据传输以及高达 100W 的功率流能力。这些功能可以使 USB-C 成为现代设备真正通用的连接标准。

USB-C 还是 USB Type-C？

这两个术语通常可以互换（我们将在本文中同时使用这两个术语）。尽管 USB-C 更常用，但 USB Type-C 是 USB.org 上列出的标准的正式名称。

USB-C 特性

USB-C接口具有三大特点：

• 它有一个可翻转的连接器。接口的设计方式是插头可以相对于插座翻转。
• 它支持 USB 2.0、USB 3.0 和 USB 3.1 Gen 2 标准。此外，它还可以在称为交替模式的操作模式下支持 DisplayPort 和 HDMI 等第三方协议。
• 它允许设备协商并选择通过接口的适当水平的功率流。

在以下部分中，我们将看到 USB Type-C 标准如何提供这些功能。

USB Type-C 插座/插头插针

USB Type-C 连接器有 24 针。图 1 和图 2 分别显示了 USB Type-C 插座和插头的引脚。

图 1. USB Type-C 插座。图片由 Microchip 提供。

图 2。 USB Type-C 插头。图片由 Microchip 提供。

USB 2.0 差分对

D+ 和 D- 引脚是用于 USB 2.0 连接的差分对。插座中有两个 D+ 引脚和两个 D- 引脚。

然而，引脚相互连接，实际上只有一个 USB 2.0 数据差分对可供使用。包含冗余只是为了提供一个可翻转的连接器。

电源和接地引脚

VBUS 和 GND 引脚是电源和信号的返回路径。默认 VBUS 电压为 5 V，但标准允许设备协商并选择默认值以外的 VBUS 电压。 Power Delivery 允许 VBUS 具有高达 20 V 的电压。最大电流也可以提高到 5 A。因此，USB Type-C 可以提供 100 W 的最大功率。

在为笔记本电脑等大型设备充电时，高功率流可能很有用。图 3 显示了 RICHTEK 的一个示例，其中使用升降压转换器来生成笔记本电脑所需的适当电压。

图 3。 图片由立锜提供。

请注意，电力传输技术使 USB Type-C 比旧标准更加通用，因为它使功率水平能够适应负载的需求。您可以使用同一根数据线为智能手机和笔记本电脑充电。

RX 和 TX 引脚

有两组RX差分对和两组TX差分对。

这两个 RX 对之一以及一个 TX 对可用于 USB 3.0/USB 3.1 协议。由于连接器是可翻转的，因此需要一个多路复用器来正确地重新路由所采用的差分对上的数据通过电缆。

请注意，USB Type-C 端口可以支持 USB 3.0/3.1 标准，但 USB Type-C 的最低功能集不包括 USB 3.0/3.1。在这种情况下，RX/TX 对不被 USB 3.0/3.1 连接使用，可以被其他 USB Type-C 功能使用，例如交替模式和 USB 供电协议。这些功能甚至可以利用所有可用的 RX/TX 差分对。

CC1 和 CC2 引脚

这些引脚是通道配置引脚。它们执行许多功能，例如电缆连接和移除检测、插座/插头方向检测和当前广告。这些引脚也可用于供电和交替模式所需的通信。

下面的图 4 显示了 CC1 和 CC2 引脚如何显示插座/插头方向。在该图中，DFP 代表下游面向端口，它是充当数据传输中的主机或电源的端口。 UFP表示Upstream Facing Port，是连接到主机或电源的设备。

图 4。 图片由 Microchip 提供。

DFP 通过 Rp 电阻上拉 CC1 和 CC2 引脚，但 UFP 通过 Rd 将它们下拉。如果没有连接电缆，源会在 CC1 和 CC2 引脚上看到逻辑高电平。连接 USB Type-C 电缆会创建一条从 5V 电源到地的电流路径。由于 USB Type-C 电缆内部只有一根 CC 线，因此仅形成了一个电流路径。例如，在图 4 的上图中，DFP 的 CC1 引脚连接到 UFP 的 CC1 引脚。因此，DFP CC1 引脚的电压将低于 5 V，但 DFP CC2 引脚仍处于逻辑高电平。因此，通过监测 DFP CC1 和 CC2 引脚上的电压，我们可以确定电缆连接及其方向。

除了电缆方向之外，Rp-Rd 路径还用作传达有关源电流能力信息的一种方式。为此，电源消耗器 (UFP) 监视 CC 线上的电压。当 CC 线上的电压达到最低值（约 0.41 V）时，电源可以为 USB 2.0 和 USB 3.0 提供默认的 USB 电源，分别为 500 mA 和 900 mA。当 CC 线电压约为 0.92 V 时，源可以提供 1.5 A 的电流。最高 CC 线电压约为 1.68 V，对应的源电流能力为 3 A。

VCONN 引脚

如上所述，USB Type-C 旨在提供极快的数据传输速度和高水平的功率流。这些功能可能需要使用通过内部芯片进行电子标记的特殊电缆。此外，一些有源电缆利用转接驱动芯片来增强信号并补偿电缆等造成的损失。在这些情况下，我们可以通过施加 5-V、1-W 的功率为电缆内部的电路供电为 VCONN 引脚供电。如图 5 所示。

图 5. 图片由 Microchip 提供。

如您所见，有源电缆使用 Ra 电阻下拉 CC2 引脚。 Ra 的值与 Rd 不同，因此 DFP 仍然能够通过检查 DFP CC1 和 CC2 引脚上的电压来确定电缆方向。确定电缆方向后，与“有源电缆 IC”对应的通道配置引脚将连接到 5V、1W 电源，为电缆内部的电路供电。例如，在图 5 中，有效的 Rp-Rd 路径对应于 CC1 引脚。因此，CC2 引脚连接到由 VCONN 表示的电源。

SBU1 和 SBU2 引脚

这两个引脚对应于仅在交替模式下使用的低速信号路径。

USB 供电

熟悉了USB-C标准的pinning，我们来简单了解一下USB Power Delivery。

如上所述，使用 USB Type-C 标准的设备可以协商并选择通过接口的适当级别的功率流。这些功率协商是通过称为 USB 功率传输的协议实现的，该协议是通过上述 CC 线路的单线通信。下面的图 6 显示了一个示例 USB 供电，其中接收器向源发送请求并根据需要调整 VBUS 电压。首先，需要一条 9-V 总线。源将总线电压稳定在 9 V 后，它会向接收器发送“电源准备就绪”消息。然后，接收器请求 5V 总线，源提供它并再次发送“电源就绪”消息。

图 6. 图片由立锜提供。

需要注意的是，“USB Power Delivery”不仅仅是与供电相关的协商，其他协商，例如与交替模式相关的协商，都是使用标准 CC 线上的 Power Delivery 协议完成的。

替代模式

这种操作模式允许我们使用 USB Type-C 标准实现第三方协议，例如 DisplayPort 和 HDMI。所有交替模式必须至少支持 USB 2.0 和 USB Power Delivery 连接。有关更多信息，请参阅此 TI 文档。

结论

USB Type-C 具有有趣的功能。它支持高达 10 Gb/s 的极快数据传输速度和高达 100 W 的高功率流。这些与可翻转连接器一起使 USB Type-C 成为现代设备的真正通用标准。

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