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從樹莓派4 USB-C設計失誤 看嵌入式系統的接口升級

2019-07-11 09:21:55 來源:充電頭網
近日,樹莓派4 Model B(樹莓派4B)正式發布,從處理能力,通信方式,對外接口都進行了全方位的升級,為嵌入式開發者帶來了福音。

收到貨后,不少開發者懷著激動的心情開始嘗試使用,結果卻發現USB-C接口在設計規范性上出現了嚴重的問題。
 


帶USB-C接口的樹莓派4
 

經過實際測試發現,樹莓派4上面的這個USB-C接口,其CC1和CC2是連接在一起的,并共用了一顆5.1k的電阻下拉到地。
 

這個設計看似非常巧妙,USB-C接口的控制做到了極致簡單,只需要一顆5.1k下拉電阻。當外接的USB-C 數據線是不帶Emark芯片的情況下,一起都可以正常工作。
 

因為這類USB-C 數據線的CC2是懸空的,只有CC1有連接到對端,所以,這種數據線跟樹莓派4B的USB-C接口母座一連起來,就非常好的符合了Sink端的設計規范,即CC1上,有一個5.1k的電阻下拉到地。
 


樹莓派4B在使用不帶Emark 芯片的連接線時的連接情況
 

但是,USB TYPE-C規范里面,還規定了一種帶Emark 芯片的數據線(Cable),這種數據線的CC2上,有一個1K的下拉電阻,用來告知DFP端的CC識別芯片,需要往CC2上提供VCONN Source。
 

一旦跟這樣的數據線連接起來,樹莓派4 Model B就會出現嚴重問題,因為CC1和CC2連接起來后,會跟數據線上的1K到地電阻并聯,形成一個比1k電阻還小的阻抗,從而滿足了USB-C規范中Audio Adapter Accessory Mode的連接規范,被電源端誤認為是一個模擬耳機設備,從而拒絕供電。
 


樹莓派4B在使用帶Emark 芯片的連接線時的連接情況
 

通過上圖我們可以看到,Emark連接線上的1k電阻會導致,CC1建立失敗,1k電阻和5.1k電阻的并聯,會導致樹莓派4B被認為是一個Audio Adapter Accessory Mode。
 

解決這個問題的方法也很簡單,只需要在CC1和CC2上各接一個5.1K電阻到地,互相獨立就行了。

樹莓派4B在USB-C接口上的設計,其實屬于入門級設計,因為這個接口僅僅用來進行5V供電和一個USB2.0 通信而已,并無復雜的音視頻及USB 3.0功能。
 


在實際的嵌入式開發中,一個USB-C接口的功能,可能遠不止于此。下面我們就大功率供電供電、高速信號傳輸、雙C口DRP控制三點進行闡述。
 

第一, 需要使用USB-C接口來獲得9V/12V/15V/20V的供電電壓。
 

很多嵌入式系統具有非常復雜的功能,僅僅5V的供電,是無法滿足要求的。那么這個時候,只是通過在CC1和CC2上單獨設置5.1k下拉電阻,就不夠了,而是必須使用USB PD控制芯片,最好是能夠靈活配置各種電壓的USB PD控制芯片,例如LDR6015和LDR6021就可以實現這個功能。
 

某些系統設計中,甚至希望USB PD控制芯片自動去判斷適配器的最高功率檔,讓電源適配器直接供應最高功率給嵌入式系統,這個時候,就可以使用LDR6015Max,可以不需要任何的控制,直接獲得最高功率。
 

第二, 需要使用USB-C接口進行高速視頻信號傳輸的應用開發。
 

USB-C接口,可以同時支持10G/b的USB 3.1Gen2數據傳輸和4K高清視頻傳輸。但是要讓Sink端進入DP ALT mode,這個是吧必須使用一顆USB PD Controller,例如LDR6282等。
 

這類USB PD控制芯片,充當的是一個交通管理員的角色,通過USB PD通信,對USB-C 數據線內的高速差分對通路進行配置,讓數據信號和視頻信號適配到合適的差分對上。
 

第三, 雙C口DRP功能控制。
 

很多嵌入式應用不僅僅使用單個USB-C口,還可能會有兩個USB-C口,其中一個C口用于供電,另外一個C口用于進行高速數據及視頻信號傳輸。
 

但用戶使用過程中,并不確定兩個中的哪一個口會插上電源,或者多媒體設備,因此需要滿足雙C口盲插識別和控制,最典型的應用是USB-C接口的顯示屏和投影儀。
 

這就屬于比較復雜的USB PD控制功能了。目前市面上僅僅有LDR6282可以滿足這個需求。
 

用于雙C口DRP控制的USB PD芯片LDR6282


綜上所述,我們可以看出,對于USB-C接口僅僅用于供電和Debug功能的嵌入式系統,USB-C接口并不需要使用任何芯片控制,通過CC1和CC2各自獨立下拉一個5.1k電阻到地即可。對于需要用到大功率供電或者高清視頻傳輸功能的嵌入式設計,則必須要使用USB PD控制芯片


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