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USB Type-C PD中的快速角色交换将推动新的用户体验

关键词:USB Type-C PD USB扩展坞 自动驾驶

时间:2018-12-03 09:19:26       作者:Christian Klein       来源:安森美半导体

我们生活在一个不断变化的时代,人们普遍一致地感觉到的是进步而不是混乱。新兴技术可能确实具有颠覆性,包括5G和人工智能,因此很容易理解它们为什么会受到大量关注。当它们各自单独发展时,它们可能会被认为不着边际。然而,对于那些更贴近的发展,很明显,它们将促成下一代应用领域,如自动驾驶和一个更智能的物联网(IoT)。与此同时,在熟悉的领域也在发生其他重大变化,包括更成熟的技术。其中包括USB。

Type-C接口代表USB的一个显著进步,因为它提供比前代接口多得多的功能。为了支持这一愿景,USB Implementers Forum(USB-IF)负责监管新功能和特性的开发,这些功能和特性有可能从根本上改变我们的连接方式。最初USB作为一种支持和扩展PC功能的技术被推出时,在消费领域和其他领域都产生了巨大的影响。在成为连接外设与计算机的默认方法的同时,也为开发人员提供方便的调试接口。很快它就像其名字所示那样具有普遍性。当考虑到我们使用有线通信的方式时,USB Type-C接口带来了可与5G相当的颠覆性因素。其中一个重要的因素是设备能够同时供电和被供电,并在这两种模式之间进行切换,而不需要用户的任何介入,这是有线总线所特有的。正是这种能力将有助于推动一种新的设备的推出,即独立的USB扩展坞(Dock)。

Dock的演进

USB集线器并非新的概念。主机一直能够计算比通过物理端口实际支持的更多设备,因此具有多个USB端口的集线器成为主机扩展物理USB端口数的简单方法。在这种情况下,控制总是属于主机设备,通常是一台PC,电源也一样。

在USB Type-C规范下,主机和设备的定义更为灵活,采用双角色端口(DRP)模式,支持设备在下行端口(DFP)和上行端口(UFP)之间切换。电源也更灵活,使设备能够动态地提供和接收电力。这超越了USB On-The-Go (OTG)的概念,尽管可以公平地说,USB OTG在将USB生态系统从桌面扩展到我们的口袋中起了很大的作用。

USB Type-C的一个主要特点是电力传输(PD)。正是这种协议支持任何设备成为电源或被供电,同时不依赖数据流。

例如,外部供电的集线器,可为笔记本电脑充电,同时连接到投影仪或显示器。在这种情况下,笔记本电脑是一个电源接收器和一个数据源。总之,集线器成为网络的中心,虽然这有许多益处,但也带来某些负担。

比起所有设备都是集线器,人们更期望出现一类新的集线器 USB Dock;它支持多个USB Type-C端口和旧的USB端口。为了在电力传输方面在这些端口之间进行协商决议,Dock将需要支持专门为这一新模式开发的特性。

快速角色交换

除了DRP之外,支持新的Type-C模式的一个关键技术是快速角色交换(FRS),它有效地确保需要电源的设备始终可以获得电源。实际上,在事件标准序列中,每当电源从扩展坞分离,这都会发生。FRS是一种加速电源角色交换序列的方法,这样数据就不会被中断(因此用户体验也不会中断)。实际上,如果电源从扩展坞移除,附加在其上的外设不应受到影响。

该过程是通过使用Type-C连接器上的CC引脚来控制和初始化的。如果电源从扩展坞上移除,它将通过驱动CC引脚到接地电位来向它当前正在供电的设备发出信号。此时,FRS信令覆盖CC端口上的任何活动,排队等待传输的消息将被删除。当接收设备响应FR_ Swap消息时,就完成了握手协议;图1的流程图说明了FRS流程。

0:集线器由TA供电,并为设备供电

1:壁式适配器断开连接

2:集线器接收电源设备通过VBUS_SINK_DISC检测到断开连接,并将GPO2输出拉低

3:集线器初始化电源设备检测GPI2 输入上的低传输和停止供电

4:集线器初始化电源设备用ITCPCSendFRSwap向设备的初始化接收电力设备发出FR_Swap信号

5:设备的初始化接收电力设备收到FR_Swap信号,停止接收电力并开始为VBUS供电

Fast Role Swap Sequence:快速角色交换序列

Wall Adapter:壁式适配器

Hub:集线器

Device:设备

图1:快速角色交换流程图

该规范要求在150 µs或更短的时间内实现,因此需要一些额外的技术。通常,支持FRS的集线器将有多个Type-C端口可用,每个端口都有自己关联的Type-C端口控制器(包括电源传输(PD))。为了协调所有端口,PD控制器需要协同工作,这可通过使用一个Type-C端口管理器(TCPM)或为PD 3.0设计的具有双角色端口和支持FRS的PD控制器来实现,例如安森美半导体的FUSB307B。

以一种持久的方式实现FRS需要考虑许多场景,例如如果扩展坞的主电源突然被移除会发生什么。这将影响到扩展坞上的所有设备,包括TCPM。

图2:使用FUSB307B的笔记本应用示例

快速角色交换是一种支持技术,它将推动USB Dock的开发,以提供一种新的用户体验。USB生态系统正在迅速发展,在更广泛的设备中采用USB Type-C将促进这一技术变革。通过采用支持双角色端口和快速角色交换的PD控制器,原始设备制造商(OEM)将更好地利用这一新机会。

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