我們生活在一個(gè)不斷變化的時(shí)代，人們普遍一致地感覺(jué)到的是進(jìn)步而不是混亂。新興技術(shù)可能確實(shí)具有顛覆性，包括5G和人工智能，因此很容易理解它們?yōu)槭裁磿?huì)受到大量關(guān)注。當(dāng)它們各自單獨(dú)發(fā)展時(shí)，它們可能會(huì)被認(rèn)為不著邊際。然而，對(duì)于那些更貼近的發(fā)展，很明顯，它們將促成下一代應(yīng)用領(lǐng)域，如自動(dòng)駕駛和一個(gè)更智能的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。與此同時(shí)，在熟悉的領(lǐng)域也在發(fā)生其他重大變化，包括更成熟的技術(shù)。其中包括USB。

Type-C接口代表USB的一個(gè)顯著進(jìn)步，因?yàn)樗峁┍惹按涌诙嗟枚嗟墓δ?。為了支持這一愿景，USB Implementers Forum(USB-IF)負(fù)責(zé)監(jiān)管新功能和特性的開(kāi)發(fā)，這些功能和特性有可能從根本上改變我們的連接方式。最初USB作為一種支持和擴(kuò)展PC功能的技術(shù)被推出時(shí)，在消費(fèi)領(lǐng)域和其他領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的影響。在成為連接外設(shè)與計(jì)算機(jī)的默認(rèn)方法的同時(shí)，也為開(kāi)發(fā)人員提供方便的調(diào)試接口。很快它就像其名字所示那樣具有普遍性。當(dāng)考慮到我們使用有線通信的方式時(shí)，USBType-C接口帶來(lái)了可與5G相當(dāng)?shù)念嵏残砸蛩?。其中一個(gè)重要的因素是設(shè)備能夠同時(shí)供電和被供電，并在這兩種模式之間進(jìn)行切換，而不需要用戶的任何介入，這是有線總線所特有的。正是這種能力將有助于推動(dòng)一種新的設(shè)備的推出，即獨(dú)立的USB擴(kuò)展塢(Dock)。

01

Dock的演進(jìn)

USB集線器并非新的概念。主機(jī)一直能夠計(jì)算比通過(guò)物理端口實(shí)際支持的更多設(shè)備，因此具有多個(gè)USB端口的集線器成為主機(jī)擴(kuò)展物理USB端口數(shù)的簡(jiǎn)單方法。在這種情況下，控制總是屬于主機(jī)設(shè)備，通常是一臺(tái)PC，電源也一樣。

在USB Type-C規(guī)范下，主機(jī)和設(shè)備的定義更為靈活，采用雙角色端口(DRP)模式，支持設(shè)備在下行端口(DFP)和上行端口(UFP)之間切換。電源也更靈活，使設(shè)備能夠動(dòng)態(tài)地提供和接收電力。這超越了USBOn-The-Go (OTG)的概念，盡管可以公平地說(shuō)，USB OTG在將USB生態(tài)系統(tǒng)從桌面擴(kuò)展到我們的口袋中起了很大的作用。

USB Type-C的一個(gè)主要特點(diǎn)是電力傳輸(PD)。正是這種協(xié)議支持任何設(shè)備成為電源或被供電，同時(shí)不依賴數(shù)據(jù)流。

例如，外部供電的集線器，可為筆記本電腦充電，同時(shí)連接到投影儀或顯示器。在這種情況下，筆記本電腦是一個(gè)電源接收器和一個(gè)數(shù)據(jù)源?？傊?，集線器成為網(wǎng)絡(luò)的中心，雖然這有許多益處，但也帶來(lái)某些負(fù)擔(dān)。

比起所有設(shè)備都是集線器，人們更期望出現(xiàn)一類(lèi)新的集線器 USB Dock；它支持多個(gè)USB Type-C端口和舊的USB端口。為了在電力傳輸方面在這些端口之間進(jìn)行協(xié)商決議，Dock將需要支持專(zhuān)門(mén)為這一新模式開(kāi)發(fā)的特性。

02

快速角色交換

除了DRP之外，支持新的Type-C模式的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是快速角色交換(FRS)，它有效地確保需要電源的設(shè)備始終可以獲得電源。實(shí)際上，在事件標(biāo)準(zhǔn)序列中，每當(dāng)電源從擴(kuò)展塢分離，這都會(huì)發(fā)生。FRS是一種加速電源角色交換序列的方法，這樣數(shù)據(jù)就不會(huì)被中斷(因此用戶體驗(yàn)也不會(huì)中斷)。實(shí)際上，如果電源從擴(kuò)展塢移除，附加在其上的外設(shè)不應(yīng)受到影響。

該過(guò)程是通過(guò)使用Type-C連接器上的CC引腳來(lái)控制和初始化的。如果電源從擴(kuò)展塢上移除，它將通過(guò)驅(qū)動(dòng)CC引腳到接地電位來(lái)向它當(dāng)前正在供電的設(shè)備發(fā)出信號(hào)。此時(shí)，F(xiàn)RS信令覆蓋CC端口上的任何活動(dòng)，排隊(duì)等待傳輸?shù)南⒈粍h除。當(dāng)接收設(shè)備響應(yīng)FR_Swap消息時(shí)，就完成了握手協(xié)議；圖1的流程圖說(shuō)明了FRS流程。

【圖1：快速角色交換流程圖】

圖片說(shuō)明

0：集線器由TA供電，并為設(shè)備供電

1：壁式適配器斷開(kāi)連接

2：集線器接收電源設(shè)備通過(guò)VBUS_SINK_DISC檢測(cè)到斷開(kāi)連接，并將GPO2輸出拉低

3：集線器初始化電源設(shè)備檢測(cè)GPI2 輸入上的低傳輸和停止供電

4：集線器初始化電源設(shè)備用ITCPCSendFRSwap向設(shè)備的初始化接收電力設(shè)備發(fā)出FR_Swap信號(hào)

5：設(shè)備的初始化接收電力設(shè)備收到FR_Swap信號(hào)，停止接收電力并開(kāi)始為VBUS供電

該規(guī)范要求在150 μs或更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此需要一些額外的技術(shù)。通常，支持FRS的集線器將有多個(gè)Type-C端口可用，每個(gè)端口都有自己關(guān)聯(lián)的Type-C端口控制器(包括電源傳輸(PD))。為了協(xié)調(diào)所有端口，PD控制器需要協(xié)同工作，這可通過(guò)使用一個(gè)Type-C端口管理器(TCPM)或?yàn)镻D3.0設(shè)計(jì)的具有雙角色端口和支持FRS的PD控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如安森美半導(dǎo)體的FUSB307B。

以一種持久的方式實(shí)現(xiàn)FRS需要考慮許多場(chǎng)景，例如如果擴(kuò)展塢的主電源突然被移除會(huì)發(fā)生什么。這將影響到擴(kuò)展塢上的所有設(shè)備，包括TCPM。

【圖2：使用FUSB307B的筆記本應(yīng)用示例】

快速角色交換是一種支持技術(shù)，它將推動(dòng)USB Dock的開(kāi)發(fā)，以提供一種新的用戶體驗(yàn)。USB生態(tài)系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，在更廣泛的設(shè)備中采用USB Type-C將促進(jìn)這一技術(shù)變革。通過(guò)采用支持雙角色端口和快速角色交換的PD控制器，原始設(shè)備制造商(OEM)將更好地利用這一新機(jī)會(huì)。