USB-C与PD学习笔记——在新的USB应用中换用Type-C接口
USB 发展概览
USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，目前由USB-IF维护。自1994年问世，大致经历了以下时期：USB1.0（1.5Mb/s ,Low-Speed, 1996.01）、USB1.1（12Mb/s ,Full-Speed, 1998.09）、USB2.0（480Mb/s ,High-Speed, 2000.04）、USB3.0（5.0Gb/s ,Super-Speed, 2008.11,又称USB3.1 Gen1、USB3.2 Gen1）、USB3.1 Gen2（10Gb/s ,Super-Speed+, 2013.12,又称USB3.2 Gen2）、USB3.2 Gen2x2（20Gb/s,Super-Speed++, 2017.09，仅支持Type-C接口）、USB4（包含 USB4® 20Gbps与USB4® 40Gbps并向下兼容前述规范,2019.09）。需要注意的是，雷电接口不属于USB规范，它是英特尔维护的一个接口规范，切莫混淆。
| 版本 | 速度 | 发布年份（参考） |
|---|---|---|
| USB1.0 | 1.5Mb/s ,Low-Speed,低速 | 1996.01 |
| USB1.1 | 12Mb/s ,Full-Speed,全速 | 1998.09 |
| USB2.0 | 480Mb/s ,High-Speed,高速 | 2000.04 |
| USB3.0 | 5.0Gb/s ,Super-Speed | 2008.11 |
| USB3.1 Gen2 | 10Gb/s ,Super-Speed+ | 2013.12 |
| USB3.2 Gen2x2 | 20Gb/s,Super-Speed++ | 2017.09 |
| USB4® 20Gbps | 20Gbps | 2019.09 |
| USB4® 40Gbps | 40Gbps | 2019.09 |
USB3时代命名混乱，最初的USB3.0速率为5.0Gb/s，后来USB3.1和3.2发布后，速度使用Gen1、Gen2、Gen2x2来表示。USB4时代USB-IF已经意识到了这个问题，简化USB版本命名。
USB-IF除维护上述的USB数据协议标准之外，他也定义了USB协议所使用的各种接口和电气规范。在USB3.1以及之前，接口与电器规范包含在USB规范中；从USB3.2开始，USB 3.2规范已经不再包含接口和电气规范，转为单独提供。
USB-IF定义了USB的电源规范。从最初的BC1.0（Battery Charging1.0）到提供5V1.5A电流支持的BC1.2。又从PD1.0开始，到广泛使用的PD2.0&3.0，支持最高20V5A的100W供电能力。最新的PD3.1快充标准由USB-IF 于2021年5月发布。由此，基于USB Type-C的电源支持添加了28V、36V、48V档，其分别能够提供140W、180W、240W三档功率；可调电压模式提供了15V到电源适配器最大电压的可调范围，分辨率100mV。在PD协议中，电源的供给方向与USB接口的功能角色通过单独的导线通信进行配置，实现了大量的功能。
笔者最初开始学习USB-PD的目的是为USB2.0设备更换Type-C接口。本学习笔记最初的目标是为电子工程师提供参考，以便快速将Type-C接口应用于电路设计中；后期若有机会深入，可以研究一下快充协议触发。当然笔者才疏学浅，这个目标目前还很遥远。目前我为探索通过Type-C充电时各IO的信号，画了一张板子做测试用，文件已上传GitHub。
本文相关的参考文档，如往常一样，我会在文末附加链接。
USB Type-C 接口定义
USB Type-C 母座定义（前视图）：
USB Type-C 公头定义（前视图）：
如何从C口获得电力
这个标题可能看起来有些无聊，但很多初学者对此并不了解。从传统的几款USB接口中获取电力非常简单，你只需要连接VBUS和GND，即可轻松获得电力。但Type-C 接口并非如此。这时有人会说，我画了张板子，Type-C口只是用来供电，我只连接了VBUS和GND，手机充电器插上，板子就工作了。哪有你说的那么悬？
传统5V取电：
目前市面常见的Android手机已经普遍采用Type-C 接口，但充电线与电源适配器间的连接仍大量使用USB A型接口，而这类充电器并不能代表全部。有一类电源适配器的输出口也是C口，它们应当支持PD快充协议。按PD规范，C口应该支持双向充电，这是两者协商决定的，提供电力的设备被称为Source，而受电的设备被称为Sink。Source端应上拉CC，Sink端应下拉CC，以此完成识别。复杂的快充协商要求两边是IC来执行，而普通的5V设备想做到被其他设备识别，只需要几颗电阻就可以。
所以，如上图所示。如果我们要从C口获取电力，我们需要的便是在受电即Sink端Type-C母口的CC1和CC2分别连接一个下拉电阻即可，一般取值5.1K。为什么要分别连接一颗下拉电阻，而不能直接短接CC1和CC2共用一颗电阻？因为在双头Type-C连接线缆中，CC实际只有一条，另一条将作为VCON，给线缆中的EMark芯片供电。注意，这里的EMark芯片是选配的，USB-IF规定了载流能力超过3A的线缆必须带有EMark芯片。而EMark 芯片会将CC线短接的情况识别为耳机附件模式，最终导致在Source端不能正确识别Sink设备。
按照上面介绍的逻辑，如果我们设计的是Type-C公头取电，比如是一条5V电源转接线。这种情况下我们只需要在CC上设计一个5.1K下拉电阻，VCON悬空即可。毕竟在公头Type-C上，只有一个CC线。另外，如果我们设计的是一个连接到Sink端的Type-C公头，此时我们应该为CC添加上拉电阻，以保证Sink正确识别到插入的是电源。具体的电阻大小与电源供电能力有关，此处不在赘述。
如何实现快充：
目前市面上有大量的快充协议，最广泛的可能要属USB PD 和高通的 QC。前者是在CC线上使用PD协议进行通信，后者是在D+和D-上加载不同电压来协商。学习这些信号的时序、协议需要耗费大量的时间。业界有公司专门为此设计了专用的接口芯片，他们往往提供了多种与单片机通信的方式，使用时无需关注PD协议信号的处理，通过简单的配置即可使用。此类产品如：沁恒CH224。