Technologia USB-C i Power Delivery od środka
| TechnikaStandardy USB-C (spotykana jest również pisownia USB Type C) i Power Delivery zrewolucjonizowały łączność kablową, umożliwiając przesyłanie wszelkiego rodzaju danych, w tym wideo, a także negocjowanie i dostarczanie mocy do 100 W w celu ładowania podłączonego sprzętu. W rzeczywistości kable i złącza USB-C obsługują moc do 15 W (5 V przy 3 A), która wzrasta do 100 W (do 20 V przy 5 A) dzięki funkcji USB Power Delivery.
Charakterystyka standardu USB-C
Forum Implementatorów USB (USB-IF) przedstawia następujące specyfikacje uzupełniające:
- Specyfikacja gniazda, wtyczki i kabla USB-C wer. 1.3.
- Specyfikacja USB Power Delivery (PD) wer. 3.0, umożliwiająca dwóm urządzeniom zgodnym z PD przesyłanie mocy do 100 W.
Każdy system wyposażony w gniazdo lub wtyczkę USB-C, zaprojektowany do implementacji aplikacji USB Power Delivery, taki jak urządzenie jednoportowe, koncentrator wieloportowy lub prosty kabel, opiera się na tych specyfikacjach. Standard USB-C jest przeznaczony do szerokiej gamy zastosowań, takich jak ładowarki, komputery, wyświetlacze i telefony komórkowe, podczas gdy USB-PD zapewnia wiele zaawansowanych funkcji, takich jak:
- negocjowanie funkcji zarządzania mocą,
- negocjacje dotyczące pozyskiwania energii i poziomu jej zużycia,
- elektronicznie oznaczona identyfikacja kabla,
- wymiana komunikatów specyficznych dla dostawcy,
- negocjacja w trybie alternatywnym, umożliwiająca kierowanie różnych protokołów komunikacyjnych na konfigurowalne wyprowadzenia złączy USB-C.
Kable mają to samo złącze męskie na obu końcach. Jedno złącze USB-C obejmuje wszystkie funkcje, które były dostępne we wtykach USB poprzedniej generacji. Korzystanie z USB teraz jest łatwiejsze i bardziej elastyczne. Obsługuje wszystkie protokoły od USB 2.0 wzwyż, łącznie z możliwością zasilania.
Złącze USB-C umożliwia działanie portów w kilku trybach: wyłącznie jako host, tylko w trybie urządzenia lub w trybie rendering USB (używanie dodatkowej zewnętrznej pamięci masowej USB, pendrive, do operacji renderowania). Zarówno typ danych, jak i zasilania można niezależnie i dynamicznie zmieniać za pomocą protokołu USB PD.
Mapa wyprowadzeń portu USB-C
Wtyczki i gniazda USB-C to 24-pinowe złącza z dwoma grupami połączeń rozmieszczonych w taki sposób, aby zapewnić odwracalność wyprowadzeń dla każdego połączenia (rys. 1, 2, tab. 1).
- Połączenia symetryczne to:
- osiem pinów zasilania: VBUS/GND
- pary różnicowe USB2.0 (D+/D–)
- Połączenia asymetryczne to:
- dwa zestawy torów sygnałowych Tx/Rx obsługujące szybkość transmisji danych USB 3.1
- dwa kanały konfiguracyjne (linie CC) do wykrywania, konfiguracji i zarządzania funkcją dostarczania mocy – USB-C Power Delivery
- dwa sygnały wstęgi bocznej (linie SBU) dla analogowych trybów audio używanych w trybie alternatywnym.
Konfiguracje portu
Jak stwierdzono w specyfikacjach USB-C i USB Power Delivery, każdemu portowi można przypisać funkcję danych (DFP lub UFP) i funkcję zasilania (źródło, ujście lub DRP):
- Source (źródło)–port USB Power Delivery zapewniający zasilanie; w przypadku zdarzenia dołączania przyjmuje funkcję źródła DFP i VCONN
- Sink (ujście)–port USB Power Delivery pobierający moc; w przypadku zdarzenia dołączania przyjmuje rolę UFP
- Dwufunkcyjny port zasilania (DRP) obsługuje zarówno funkcję źródła, jak i ujścia.
Funkcje Source i Sink, DFP i UFP oraz funkcję VCONN Source można później zamienić.
Uwaga: w każdym połączeniu PD pomiędzy partnerami portów istnieje tylko jeden port źródłowy i jeden port ujścia.
Uwaga: możliwość transmisji danych USB oraz możliwość zapewnienia VCONN nie są obowiązkowe.
Source port (dostawca) – Port ten może dostarczać zasilanie przez linię VBUS (5 V do 20 V i do 5 A), musi ponadto zapewniać podciąganie (Rp) na linii konfiguracyjnej kanału (CC).
Sink Port (odbiorca, konsument) – port ten może pobierać energię przez linię VBUS (od 5 V do 20 V i do 5 A), musi ponadto zapewniać rezystor ściągający (Rd) na linii konfiguracyjnej CC.
Dual-Role Power Port (DRP) – dwufunkcyjny port zasilania (DRP) może działać jako stały port źródłowy albo jako port odbiorczy (sink) lub może na przemian pełnić obie funkcje za pomocą polecenia USB PD Power Role Swap.
Architektura USB-C i Power Delivery
Specyfikacja USB Power Delivery definiuje architekturę stosu ze wszystkimi warstwami zarządzającymi urządzeniem PD. Urządzenia o podwójnej funkcji muszą fizycznie łączyć elementy dostawcy i konsumenta w jedno urządzenie. Dostawcy mogą zawierać wiele portów źródłowych, każdy z własnym stosem komunikacyjnym i sterowaniem portu USB-C.
W połączeniu przedstawionym na rysunku 4, gdy Dostawca (Provider) i Odbiorca (Consumer) są połączeni, rozpoczynają komunikację poprzez kanał konfiguracyjny (CC), natomiast Źródło zasila Ujście poprzez linię VBUS. Mimo że USB-PD ustala funkcje Source lub Sink oraz DFP albo UFP, aplikacja może na żądanie te funkcje zmienić.
Device Policy Manager (DPM).
Menedżer zasad urządzenia (DPM) zajmuje się zasobami zasilania USB używanymi przez jeden lub więcej portów w oparciu o lokalne zasady dotyczące tych urządzeń. Aby wdrożyć lokalne zasady dla każdego portu, współpracuje z blokami kontrolnymi silnika zasad i portu USB-C urządzenia,
Policy Engine (PE).
Silnik zasad (PE) współdziała bezpośrednio z menedżerem DPM w celu określenia, które zasady lokalne mają zostać zastosowane. Jego rolą jest kierowanie sekwencjami komunikatów zgodnie z wysłanym komunikatem i jego oczekiwaną odpowiedzią. Umożliwia negocjowanie zapotrzebowania na moc poprzez uzgodnienie wyraźnego kontraktu o wymianę mocy. Akceptacja lub odrzucenie żądania zależy od odpowiedzi DPM w odniesieniu do określonego profilu mocy. PE obsługuje również przepływ komunikatów zdefiniowanych przez dostawcę, umożliwiając wykrywanie, wejście i wyjście z trybów obsługiwanych przez dostawcę i odbiorcę.
Protocol layer (PRL).
Warstwa protokołu steruje konstruowaniem wiadomości, transmisją, odbiorem i potwierdzeniem. Umożliwia monitorowanie przepływu komunikatów i wykrywanie błędów komunikacyjnych. Warstwa protokołu buduje i wysyła komunikaty zgodnie ze wskazaniami silnika zasad, a następnie przekazuje odpowiedzi na te komunikaty z powrotem do silnika zasad.
Physical layer (PHY).
Warstwa fizyczna jest odpowiedzialna za wysyłanie i odbieranie komunikatów linią CC. Odpowiada za zarządzanie danymi w sieci przewodowej, unikanie kolizji i wykrywanie błędów w wiadomościach poprzez zastosowanie cyklicznego kodu nadmiarowego (CRC).
Piny CC: zasady terminowania portu
Wyprowadzenia kanału konfiguracyjnego (CC) służą do wykrywania, konfigurowania i zarządzania połączeniami za pośrednictwem kabla USB-C, a także kanału komunikacyjnego dla warstwy PHY zasilacza USB Power Delivery. W każdym gnieździe znajdują się dwa wyprowadzenia CC, ale tylko jedno jest podłączone kablem w celu nawiązania komunikacji. Drugą końcówkę można ponownie przypisać jako wyprowadzenie VCONN do zasilania elektroniki we wtyczce USB-C kabli oznakowanych elektronicznie.
Określone wartości rezystorów Rd i Rp podłączonych do wyprowadzeń CC umożliwiają konfigurację systemu z pojedynczą lub podwójną funkcją. Operacje mocowania i wykrywania kierunku są przeprowadzane liniami CC zakończonymi tymi rezystorami:
- źródło musi zapewniać rezystory podciągające Rp na obu wyprowadzeniach CC
- ujście musi zapewniać rezystory ściągające Rd na obu wyprowadzeniach CC
- port DRP ma na swoich wyprowadzeniach CC zarówno rezystory podciągające Rp, jak i rezystory ściągające Rd. Port ten może dynamicznie ustawiać odpowiednie rezystory, w zależności od ustaleń przeprowadzonych przez aplikację zgodnie z funkcją obsługiwania mocy
- w pełni funkcjonalny kabel USB-C musi zapewniać rezystory ściągające Ra na wyprowadzeniu VCONN. W tabeli 2 zamieszczono wartości, które należy zastosować dla Rp lub źródła prądu.
Rezystory Rp podłączone do obu wyprowadzeń CC można podciągnąć do napięcia 3,3 V lub do 5 V. Wartość rezystora dobierana jest na podstawie możliwości zasilania portu urządzenia. Ponadto, jeśli aktywna jest funkcja źró
dła, rezystory Rp można zastąpić źródłami prądowymi. W tab. 3 zamieszczono wartości, które należy zastosować w przypadku terminacji Rd lub Sink CC.
Rezystory Rd mogą być realizowane na wiele sposobów.
Opcje mocy
Jeśli chodzi o wymianę mocy, każde urządzenie ze złączem USB-C, które nie jest zgodne ze specyfikacją Power Delivery, musi nadal obsługiwać napięcie 5 V przy jednej z określonych wydajności prądowych. Urządzenie obsługujące funkcję Power Delivery i zaprojektowane do zarządzania obciążeniami o dużej mocy może obsługiwać napięcie do 20 V przy prądzie 5 A (100 W).
Wykrywanie dołączania i odłączania kabla oraz detekcja jego ukierunkowania
Jak stwierdzono w specyfikacji USB-C, obowiązkowe jest określenie kierunku połączenia, tj. wykrycie przez jedno z dwóch wyprowadzeń linii CC prawidłowego połączenia rezystorów Rp lub Rd. Aby wykryć to połączenie, źródło monitoruje oba piny CC. Przy braku połączenia stan linii jest interpretowany jako pływający potencjał. Gdy odbiornik jest podłączony za pomocą kabla, jedna linia CC źródła jest bezpośrednio pociągana w dół (przez rezystor Rd odbiornika), sygnalizując, że połączenie zostało wykonane (rys. 5). Zatem po nawiązaniu połączenia ustawiany jest dzielnik napięcia pomiędzy rezystorem podciągającym źródła Rp i rezystorem ściągającym Rd, ustalając poziom napięcia na linii CC dla sygnałów komunikacyjnych.
Jednocześnie określany jest kierunek wtyczki w gnieździe, a co za tym idzie i kabla, zgodnie z tym, która linia CC (CC1 lub CC2) wykrywa prawidłową rezystancję po podłączeniu.
Na rysunku 5 została przedstawiona nieodwróconą orientacja kabla. Co więcej, w pełni funkcjonalny kabel z rezystorem Ra łączy piny VCONN z masą.
Negocjowanie mocy
Po nawiązaniu połączenia i przydzieleniu odpowiednich funkcji źródło i odbiornik są dołączane do linii VBUS 5 V, a następnie negocjowany jest nowy kontrakt na moc: wybrany kanał konfiguracyjny (CC) umożliwia nawiązanie komunikacji i negocjacje zasilania zgodnie z protokołem opisanym w specyfikacji USB Power Delivery.
Wszystkie urządzenia wyposażone w USB-C są w stanie zapewnić do 15 W (5 V i do 3 A) mocy poprzez linię VBUS, jednak każde kolejne żądanie dostarczenia lub odbioru mocy od 15 W do 100 W musi zostać negocjowane zgodnie z protokołem USB Power Delivery.
Komunikaty wymieniane pomiędzy źródłem (dostawcą) a odbiornikiem (konsumentem) przedstawiono na rysunku 6.
- Źródło jako pierwsze wysyła komunikat dotyczący wydajności, aby poinformować partnera (ujście) o możliwościach zasilania.
- Następnie odbiornik wysyła żądanie dotyczące jednego ze zgłaszanych profili mocy.
- Źródło akceptuje lub odrzuca to żądanie zgodnie ze swoim bilansem mocy.
- Jeśli żądanie zostanie potwierdzone, źródło wysyła potwierdzenie do ujścia.
- Źródło następnie przełącza się na żądany profil mocy i wysyła komunikat potwierdzający PS_Ready.
Każda odebrana wiadomość jest poświadczana komunikatem GoodCRC potwierdzającym poprawność odbioru. Nieprawidłowy odbiór należy zignorować, a utrzymujące się błędy w komunikacji powinny wywołać miękki reset w celu wyzerowania parametrów protokołu i ponownego nawiązania komunikacji. Jeśli błąd będzie się powtarzał, zostanie wykonany twardy reset.
Alternatywne tryby i klasa urządzenia billboardowego
Specyfikacja USB Power Delivery obsługuje alternatywne tryby (Alt Mode) umożliwiające przesyłanie danych z dużą szybkością za pośrednictwem kabli USB-C przy użyciu protokołów takich jak:
- Interfejs multimedialny wysokiej rozdzielczości (High-Definition Multimedia Interface – HDMI)
- Port wyświetlacza (DisplayPort – DP)
- Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express)
- Ethernet po skrętce (Base-T Ethernet)
- Mobilne łącze wysokiej rozdzielczości (Mobile High-Definition Link – MHL).
Tryby alternatywne umożliwiają hostom i urządzeniom typu C włączenie dodatkowych funkcji, wykorzystując strukturyzowane komunikaty USB PD zdefiniowane przez dostawcę (Structured VDM) do zarządzania typowymi mechanizmami wyboru kontrolera wyświetlacza: wykrywanie, wejście, wyjście, konfiguracja, aktualizacja stanu i uwaga.
Ponieważ tryby alternatywne nie obejmują topologii koncentratora USB, można ich używać wyłącznie pomiędzy bezpośrednio podłączonym hostem a urządzeniem.
Strukturalne moduły VDM mogą być również używane do ponownego przypisania wyprowadzeń dostępnych w złączu USB-C (rys. 7).
Na rysunku 8 przedstawiono wyprowadzenia dostępne do rekonfiguracji w przypadku aplikacji z połączeniem bezpośrednim. Są jeszcze trzy wyprowadzenia, ponieważ konfiguracja ta nie jest ograniczona okablowaniem.
Jeżeli nie jest zaimplementowana równoważna funkcjonalność USB, urządzenie musi zapewniać interfejs USB umożliwiający identyfikację klasy urządzenia billboardowego USB. Nie jest to wymagane w przypadku trybów innych niż użytkownika (np. trybów diagnostycznych).
Definicja klasy urządzenia billboardowego USB opisuje sposób komunikowania alternatywnych trybów obsługiwanych przez kontener urządzenia do systemu hosta, łącznie z deskryptorami łańcuchowymi dostarczającymi informacji pomocniczych w formacie czytelnym dla człowieka.
Jarosław Doliński
