硬件协议篇-一文搞懂 “ Type-C接口 ”

01、Type-C接口简介

Type-C接口是一种全面升级的连接标准，由USB Implementers Forum在2014年最新发布的USB 3.1标准中首次正式提出，定义了包括连接器、端口、容器和线缆等在内的一整套全新USB物理规格，由于其小巧的尺寸、正反可插拔的设计、超高的传输速度和强大的功率传输能力，Type-C接口被广泛应用于消费电子、工业、汽车等领域。

Type-C只是USB 3.1标准中提出的三种接口样式之一，在USB 3.1标准中有三种接口样式，分别为USB Type-A、USB Type-B和USB Type-C，其中USB Type-A、USB Type-B在传统计算机、打印机等设备上已被广泛使用，那么为什么还要提出USB Type-C呢？

随着越来越多新型设备对于轻量化、小型化、标准化和归一化的追求，传统USB接口的“庞大”尺寸已经很难满足设备生产厂商和消费者的需求。

同时，传统USB接口中需要反复插拔、寻找“正确”方向的问题已经被消费者广为诟病，用户迫切需要一种类似Lighting正反面均可插入的接口，特别是在手机等设备中。

02、Type-C接口特性

Type-C作为当前主流的接口标准，核心特性可归纳为以下几大类：

• 尺寸更小：Type-C连接器尺寸为8.4mm x 2.6mm，比传统的USB连接器更小；

• 无方向性：接口上下端采用对称设计，正反面均可进行插拔，且支持高达10000次的插拔次数；

• 高速数据传输：Type-C支持最新的USB 4标准，最高传输速率可达40Gbps；

• 供电能力强：Type-C通过USB PD协议实现了“双向供电+大功率输出”，支持最高240W的电力传输，同时接口可“反向供电”，例如手机连接笔记本Type-C口时，可给手机充电；

• 扩展性强：具备交替模式（Alt Mode），可通过动态调整接口引脚实现多种协议切换，例如，可支持DP 1.4协议，输出4K甚至8K分辨率视频。部分设备还支持音频输出；

• 多协议兼容：同一接口可同时支持USB数据传输、PD快充、音视频输出、外接扩展，甚至支持雷电协议。

03、Type-C接口定义

Type-C接口分为母头（Receptacle）和公头（Plug），由于应用场景和低成本需求，Type-C出现了不同的版本，包括全功能的24P、仅支持USB2.0的16/12P以及仅充电的6P版本。

【24PType-C接口定义】

24P接口提供了对所有协议的标准支持，其接口定义如下图所示，母头24针脚/公头22针脚采用对称布局设计，可实现正反插功能复用。

可以看出，相比较母头，公头只有一对D+/D-（母头有两对），且有一个CC1+VCONN（母头有CC1+CC2），这是因为USB 2.0协议本身仅需一对差分信号线（D+/D-）就能满足数据传输需求，因此无论公头正反插，只需设置一对D+/D-即可。对于CC1+VCONN的设计，这是因为公头仅需CC1引脚即可判断插入方向，当母头CC1检测到电平变化，则说明公头正插，当母头CC2检测到电平变化，则说明公头反插。而VCONN引脚主要用于给有源线缆内部的电子标签芯片供电（电压通常为3.3V/5V）。

完整的Type-C引脚为24个，各个引脚的定义如下：

• VBUS：共4路，设备间供电的BUS电压引脚，不论正反插，这4路引脚都会提供供电，通常支持5V、9V、12V、15V和20V等不同的电压规格，最大可支持5A电流；

• GND：共4路，设备间的供电回路，不论正反插，这4路引脚都会提供供电回路；

• TX+/TX-和RX+/RX-：共4路，用于USB 3.1 Gen 1及更高版本的数据传输；

• D+/D-：共2路，用于USB 2.0的数据传输；

• CC1/CC2：配置通道引脚，主要用于检测设备的连接状态、识别设备的正反插方向，同时还能通过协议协商功率传输和数据传输模式；

• SBU1/SBU2：边带信号，主要用于交替模式下传输额外信号，如DP、Thunderbolt等辅助信号；

• VCONN：当其中一个CC引脚被使用时，另一个引脚就会作为VCONN引脚，它的作用是为支持电子标签（也称E-Marker，包含电源传输能力、数据传输能力、ID等信息）的线缆提供电源，VCONN一般提供3.3V/5V电源。

【16/12P Type-C接口定义】

16P Type-C在24P全功能版本的基础上移除了USB 3.0的TX1/2、RX1/2引脚，保留了SBU1/2、CC1/2和D+/D-引脚，除了不支持USB3.0/3.1高速传输外，其他没有任何的差别，同样可以支持PD快充、音视频传输等其他功能。

12P接口采用更少的引脚实现相同的功能，与16P接口在本质上并无差异，可以共用PCB封装。在设计时将Type-C母口两端的两个Vbus和GND引脚两两相互靠近，注意仅仅是相互靠近并不是共用引脚所以接口实际还是存在16P，但对于其封装只要12P。

【6P Type-C接口定义】

6P Type-C接口专注于快充能力，仅保留Vbus、GND、CC1、CC2引脚。接口两侧同样对称分布Vbus和GND，CC1，CC2引脚用于支持正反接入，以及快充协议的支持。

04、Type-C设备识别方法

【设备端口定义】

Type-C设备可分为三大类，分别为DFP（下行端口）、UFP（上行端口）、DRP（双角色端口）。

• DFP：下行端口，可以理解为Host，作为供电端（Source）的Type-C设备，如Type-C充电器等；

• UFP：上行端口，可以理解为Device，作为受电端（Sink）的Type-C设备，如Type-C手机等；

• DRP：双角色端口，既可以做DFP又可以做UFP，可在DFP和UFP间动态切换，如Type-C笔记本等。

显然，当两个Type-C设备通过C2C线材连接在一起时，双方必须知道对方属于何种类型的设备，否则会带来不理想的充电（如反向充电），或者不充电，甚至导致安全问题。

例如，当用户利用充电器（Source）给Type-C双向充电宝（DRP）充电时，理想情况下，充电宝应当担任Sink的角色。然而，由于设备类型识别错误，可能导致充电宝担任Source角色而发生“电流倒灌”的现象，损坏两方设备。

Type-C接口规范通过CC引脚的一系列“上拉”和“下拉”机制来区分Source、Sink以及DRP。对于Source设备，要求CC引脚配置上拉电阻Rp；对于Sink设备，要求CC引脚配置下拉电阻Rd（默认5.1kΩ）；而对于DRP设备，要求通过切换开关，交替性地切换上拉和下拉。

【插入检测原理】

（1）检测原理

当Sink端与Source端通过Type-C线缆连接时，由于线缆内部仅一根CC线导通，会导致Sink端的CC1和CC2中只有一个引脚能与Source端的CC引脚形成通路。Source端的控制芯片（如PD协议芯片）会实时监测CC引脚的电平，当检测到电平从“高”降至“特定范围的低电平”时，即可初步判定“有设备接入”。

Sink端通过检测自身哪一个CC引脚出现有效电压信号（由Source端Rp与Sink端Rd分压形成），即可判断插入方向：若Sink端检测到CC1引脚有符合规则的电压，则判定为正插状态，此时设备会按照正插的信号通路配置数据传输与供电逻辑。若检测到CC2引脚有有效电压，则判定为反插状态，随后设备内部的控制芯片会自动切换信号路由，确保数据传输与供电功能正常实现。

DRP可作为Source或者Sink，内置模拟切换开关，当DRP作为Source时，则切换到Rp为Sink供电，当DRP作为Sink时，则切换到Rd。

（2）供电能力

Type-C的供电能力根据Rp阻值的不同可分为5种，且优先级和功率依次升高，高优先级供电能力可覆盖低优先级，具体如下：

• 默认USB供电能力。USB 2.0接口为500mA；USB 3.0接口为900mA和1500mA；

• BC 1.2协议，支持最大功率7.5W，即5V/1.5A；

• USB Type-C电流1.5A，支持最大功率7.5W，即5V/1.5A；

• USB Type-C电流3A，支持最大功率15W，即5V/3A；

• USB PD协议，支持最大功率100W，即20V/5A。

当两个设备连接完成后，Sink通过检测Rp和Rd的分压值vRd获取Source的供电能力。如下为Rp值、vRd电压范围与Source供电能力的对应关系。

与此同时，设备的另一个CC已经被悬空或者通过Ra=1k下拉。若有Ra下拉，则说明USB-C线材内置e-Marker芯片，需要Source端通过切换该引脚至VCONN为线材供电。

05、Type-C接口PD协议

USB PD（Power Delivery）协议是基于Type-C接口的快充标准，核心是通过CC引脚通信协商实现灵活、安全的功率传输，涵盖角色识别、能力协商、电压调整等关键环节，具体原理如下：

（1）连接检测与角色确认

当C2C线缆连接后，Source通过CC引脚的电平变化检测到设备接入，同时通过CC引脚的上拉/下拉配置确认双方初始角色（Source/Sink），支持DRP设备可后续切换角色。

（2）能力通告

Source主动向Sink发送Source_Capabilities消息，告知自身支持的供电规格（如5V/3A、9V/2A、20V/5A等电压电流组合），数据通过BMC编码后经CC引脚传输。

（3）功率请求与确认

Sink接收能力列表后，根据自身需求（如电池状态、充电协议）选择合适的供电规格，向Source发送Request消息（如请求9V/2A）。Source验证请求是否在自身能力范围内，若合规则回复Accept消息确认。

（4）电压调整与供电启动

Source的PD控制器控制内部电源电路（如Buck转换器），将输出电压调整至协商值（如从默认5V升至9V）。电压稳定后，Source发送PS_RDY消息告知Sink，随后正式通过Vbus向Sink供电。

如下波形为Sink控制器申请一个9V电压输出的例子。

06、Type-C接口典型应用

【USB2.0/3.0应用】

Type-C接口作为USB接口使用时，24个引脚按功能可分为电源组、信号组、配置组，需根据设备角色（Source/Sink/DRP）配置关键引脚电路。

（1）电源组

Vbus需串联自恢复保险丝（如1206封装3A/6A）和TVS管（如SMBJ6.5A）防过流、过压，且靠近接口处预留0.1μF+10μF滤波电容，稳定电压；

（2）信号组

D+/D-信号线需串联22Ω匹配电阻（靠近接口），并联10pF电容滤波，同时需接ESD保护器件（如PESD5V0U2X），响应时间≤1ns。TX+/TX-和RX+/RX-不需要串联电阻，仅需在接口端放置ESD（如RCLAMP0524P）；

（3）配置组

对于CC1/CC2配置信号，Sink设备接5.1kΩ下拉电阻到GND；Source设备接Rp（按功率选：10kΩ对应3A，22kΩ对应1.5A，56kΩ对应0.5A）；DRP设备需通过模拟开关（如TS5A23157）切换Rp/Rd，配合PD芯片控制。对于SBU1/SBU2信号线，闲置时可悬空或通过100kΩ电阻接地。

【DP应用】

Type-C接口可以通过DisplayPort Alt Mode（交替模式）功能充当DP接口使用‌，实现高清视频和音频输出，但需设备支持该协议且使用兼容线缆。

想进入AltMode模式，需要用到CC引脚。DP Alt Mode借助PD报文来对Type-C接口进行具体的配置，USB PD有个VDM (Vendor Defined Message)功能，定义了装置端ID，当DFP读到支持DP或PCIe的装置，DFP就进入替代（Alternate）模式。

如果DFP识别到Device为DP，便由MUX/Configuration Switch控制切换，让Type-C USB3.1信号引脚改为传输DP信号，AUX辅助由Type-C的SBU1/SBU2替代，HPD是检测脚，和CC差不多，所以共用。

【接口耳机应用】

Type-C数字耳机通过USB信号与手机通信传输音频信号，使用的Pin脚主要有VBUS、GND、CC1、D+和D-。整体的框图如下：当插入数字耳机后，CC1通过5.1kΩ电阻下拉到地，手机侧检测到CC1上连的电阻5.1kΩ下拉后，识别为OTG设备。之后再通过一系列动作及耳机USB枚举，识别为数字耳机。

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