Type-C协议（CC检测原理）-CC1和CC2接电阻-数字和模拟耳机兼容

1 简介

USB Type-C其实是USB的一种接口形态，USB的接口形态可以分为USB Type-A、USB Type-B、USB Type-C,USB Type-A和USB Type-B还有两种不同规格的接口形态，分别是USB Mini-A(B)和USB Micro-A(B)。

USB各型号接口图解

越来越多的手机开始采用Type-C作为充电和通信端口，Type-C连接器实物和PIN定义如下图：

Type-C连接器实物和PIN

Type-C 全称是USB Type-C 接口，是一种全新的 USB 接口形式。USB Type-C接口宽度8.3毫米，厚度2.5毫米，而Micro USB接口宽度7.4毫米，厚度2.35毫米，Type-C比Micro USB接口大稍许，比传统USB纤薄小巧。两者大小对比如下图所示。

USB Type-C与传统USB插头对比

区分插头公母的方法有：观察外观形状、检查极性、根据大小和形状区分。以下是详细介绍：

观察外观形状。一般来说，插头的一面是公头，另一面是母头，公头的头部通常带有尖端，而母头的头部则通常带有圆孔。

检查极性。部分插头会在其上标记“J”（公头）和“K”（母头），另外，公头的接触片通常位于内部，而母头的接触片则位于外部。

根据大小和形状区分。通常情况下，母头的尺寸比公头大，公头比母头小，因此，可以通过大小和形状来区分公母。

Type-C插头和插座的管脚线序

Type-C连接器中有两个管脚CC1和CC2，他们用于识别连接器的插入方向，以及不同的插入设备。本文介绍CC的基本识别原理。

Type-C插头和插座的管脚线序

Type-C管脚类型归类

DFP、UFP和DRP概念

DFP——Downstream Facing Port，也就是Host
UFP——Upstream Facing Port，也就是Device
DRP——Dual Role port，既可以做DFP，也可以做UFP。

Type-C插头管脚线序

在建立连接之前，DRP的角色在DFP和UPF之间切换。如果两个DRP连接，最先随机到那种角色后开始建立连接，之后可以通过USB协议协商进行动态切换。

2 为什需要CC检测

虽然USB Type-C插座和插头的两排管脚对称，USB数据信号都有两组重复的通道，但主控芯片通常只有一组TX/RX和D+/-通道（某些芯片有两组TX/RX和D+/-通道）。

由于USB2.0的数据率最高只有480Mbps, 可以不考虑信号走线的阻抗连续性，USB2.0的D+/-信号可以不被MUX控制而直接从主控芯片走线，然后一分二连接至USB Type-C插座的两组D+/-管脚上。

但USB3.0或者USB3.1的数据率高达5Gbps或者10Gbps，如果信号线还是被简单地一分二的话，不连续的信号线阻抗将严重破坏数据传输质量，因此必须由MUX切换来保证信号路径阻抗的一致性，以确保信号传输质量。

下图中右侧所示的MUX从TX1/RX1和TX2/RX2中选择一路连接至主控芯片，而这个MUX就必须被CC管脚控制。

在USB2.0应用中，无需考虑CC方向检测问题，但USB3.0或者USB3.1应用中，必须考虑CC方向检测问题。

注意UFP，比如U盘，移动硬盘内部不需要CC逻辑检测，因为它是上行，只有一对USB2.0或USB3.0信号，如下图

3 CC检测原理

CC信号有两根线，CC1和CC2，大部分USB线（不带芯片的线缆）里面只有一根CC线，DFP可根据两根CC线上的电压，判断是否已经插入设备。通过判断哪根CC线上有下拉电阻来判断方向，下图的说明已经非常清晰。

如果CC1引脚检测到有效的Rp/Rd连接（对应的电压），则认为电缆连接未翻转。
如果CC2引脚检测到有效的Rp/Rd连接（对应的电压），则认为电缆连接已翻转。

“有效的Rp/Rd连接”指在CC上形成了有效的电压。
从DFP的角度看，下表列出了所有可能的连接状态，

以上只是介绍了CC检测中判断是否翻转的原理，两个CC信号还有向UPF通告DFP提供电流能力的功能等，见下文。

3.1 DFP的上拉电阻Rp

DFP的CC1和CC2信号上都必须有上拉电阻Rp，上拉到5V或3.3V。或者CC1和CC2都用电流源上拉。最终的目的是在插入后，能检测到CC1或CC2上的电压，进而判断是否翻转以及DFP的电流能力。如下是所有可能的配置。可以选择右边三列中的任何一列作为上拉方式，比如Fairchild的FUSB300就是用330uA上拉，TI的TUSB320LAI用的是80uA的上拉，不同的上拉方式在CC引脚上形成的电压不同，不同的电压对应不同的电流能力。

3.2 UPF的Rd

UFP的CC1和CC2管脚都要有一个下拉电阻Rd到GND（或者使用电压钳位）。Rd的处理方式如下表。

注意，最后一列的电流源连接至的电压，是指3.1节中表格的最后一列电流源的上拉电压。
结合这个表格，和3.1节的表格，我们把每种可能的上下拉范围都计算出了最终形成的电压范围，如下表。

CC检测芯片会检测这个电压，通过判断电压范围来决定下一步操作。下表是CC管脚上不同的电压对应的DFP能提供的电流能力。第二列列出的每一种电压范围，都分别覆盖了上表计算出的电压。Rp/Ra的计算是同理的。

3.3 数据线上的Ra

带电子标签的线缆，其中一个CC管脚被更名为VCONN，用于给电子标签芯片供电。这个VCONN管脚与GND之间需要一个Ra电阻，这个电阻值范围是800Ω~1.2KΩ。

3.4 VCONN电源

VCONN的允许范围是4.75V~5.5V，要求供电能力是1W。默认情况下DFP提供这个电源。如果两个DRP连接，则双方可以通过USB PD协议协商来交换VCONN供电方。
支持PD的USB3.0接口均需支持VCONN，可以通过下面两种方式之一提供VCONN电源。

如果其中一个CC引脚上检测到有效的Rp/Rd连接，则VCONN电源可以接到另一个对应的CC引脚。
如果其中一个CC引脚上检测到有效的Rp/Rd连接，先检查另一个CC引脚是否也有Rp/Ra连接，然后再提供VCONN。
先检测是否有Ra存在，如果有说明需要Vconn供电，此时再提供Vconn。检测过程不需要Vconn存在。
注意，每一个CC引脚内部都有一个开关，轮训CC和VCONN功能，下图是一个典型的连接方式：

4 手机都是DRP

现实中，我们的手机都是DRP，既能做DFP，又能做UFP，那么是如何切换呢？
DRP在待机模式下每50ms在DFP和UFP间切换一次。当切换至DFP时，CC管脚上必须有一个上拉至VBUS的电阻Rp或者输出一个电流源，当切换至UFP时，CC管脚上必须有一个下拉至GND的电阻Rd。此切换动作必须由CC Logic芯片来完成。当DFP检测到UFP插入之后才可以输出VBUS，当UFP拔出以后必须关闭VBUS。此动作必须由CC Logic芯片来完成。下面是一个CC逻辑芯片框图，CC上有一个开关，在不断切换功能。

5 USB Power Delivery 2.0

这个是由USB-IF制定的单线协议，在CC线上传输，用于协商供电角色，电压，最大供电能力，数据角色，备用模式等，端口与供电电缆之间的通信业通过PD协议进行。协议不做展开，详见USB-IF官网。下面是协议的几个特点：

1.所有通信均通过CC线。
2.DFP是总线主设备，用于发起所有通信。
3.所有消息均采用32bit 4b/5b编码的双向标记编码（Bi-phase Mark Coded，BMC）
4.波特率300K
5.CRC32错误检验+消息重试

6 Type-C线缆规范

线缆至少支持10000次拔插。
不规定信号线规，但是必须保证USB2.0和USB3.0的信号完整性
CC和SUB1/SUB2线上的阻抗不大于50Ω
GND返回路径上的最大IR压降为250mV
Vbus上的最大IR压降为500mV
USB Type-C规范中并未明确规定线缆长度，但是电器要求产生了一些物理限制。USB3.1 Type-C转Type-C电缆组件在5GHz下的插入损耗指定为为-6dB，从而将电缆长度有效限制为1米。USB3.0 Type-C转Type-C电缆组件在5GHz下的插入损耗指定为为-7dB，从而将电缆长度有效限制为2米。

7 带电子标签的Type-C数据线

如果Type-C数据线上带了芯片（我们称之为电子标签），这个芯片可以通过USB供电规范2.0 BMC协议与USB端口通信。电子标签电缆可用VCONN供电，也可以直接由Vbus供电，最高可消耗70mW的功率。如下类型的电缆必须要电子标签：

兼容USB3.1的USB Type-C电缆
100W供电电缆。能够实现60W以上功率承载能力的任何电缆都必须有电子标签，并且能够与DFP端口通信。
带电子标签的电缆如果插入不支持USB供电规范2.0的插座中，其行为与标准的无源电缆完全相同。

8 音频配件模式

8.1 数字耳机

Type-C接口的数字耳机是一个UFP（Device），手机是DFP。耳机的CC1和CC2引脚上必须有Rd，实际上，乐视数字耳机的CC管脚上有一颗5.1K电阻。

8.2 模拟耳机

模拟耳机与Type-C接口的转接线

协议要求模拟耳机转接线上把两个CC引脚直接接到GND（必须小于Ra）。

逻辑框图

USB Type-C数据线除了充电传输数据，还可以传输音视频等，很多安卓手机不但用Type-C接口替代了传统的Micro USB而且还取消了3.5mm耳机插孔。对于这样的手机要使用耳机只能用Type-C转3.5mm耳机转换线，经过研究Type-C接口定义和相关资料，发现Type-C输出音频和接收话筒信号对应的针脚，如下图所示。6、7、8针脚对应右声道、左声道、话筒麦克风，1脚对应耳机的GND。

Type-C输出音频和接收话筒信号对应的针脚

手机上用的耳机都是三节四段式，有四根电缆，分别是GND（地）、Mic（话筒麦克风）、L（耳机左声道）、R（耳机右声道）。用万用表测量多种耳机，大部分是第一种接法，只有诺基亚是第二种接法。如下图所示。注意下图与上图中Type-C各针脚对应关系。

三节四段式耳机插头的管脚图

这样搞清楚了，Type-C各针脚与耳机话筒、耳机左右声道对应关系，就可以动手做一条USB Type-C转3.5mm耳机转接线。体验DIY的乐趣，享受成功的喜悦。注意手机随机的Type-C数据线基本都是缩水的部分针脚缺失，改造之前看一下需要的针脚是否完整。另外USB Type-C插头的针脚较多，非常密集手工焊接存在一定难度，请量力而行。

8.3 兼容数字耳机和模拟耳机

这一类的机型包括小米note3,华为p20pro,坚果锤子等(数字耳机就是一个usb从设备)。

电路板设计有一个耳机自动切换ic，当模拟耳机插入时，模拟耳机的左右声道接在usb+、usb-，因此需要切换开光，如DIO3202A，vbus电平为高，芯片切换到usb通路,vbus电平为低，切换到耳机通路，当数字耳机插入时，type-c逻辑芯片检测到从设备，cpu上的usb切换到主模式，并提供5v(vbus)给从设备供电，完成相应的数字信号传输。

兼容模拟耳机的原理，typec逻辑芯片会识别成不同的设备(数字耳机,usb设备 模拟耳机 音频配件)（也可以使用mic来识别耳机的插拔 原理: 模拟耳机接入耳机后由于vbus没电，耳机逻辑ic选择耳机通道，耳机mic检测脚初始化为高，当模拟耳机插入后，mic相当于一个1k的电阻，由于分压，mic脚的电压会拉低，mic_det脚所在的pmic上的内部电压比较器检测到了电平变化进一步触发了耳机mic的中断，进一步判断耳机的类型,从而识别达到耳机）。

9 电路图

因为TypeC接口有6P、16P、24P等各种，其中6P只能供电，16P除了供电还有USB2.0的D+和D-引脚，24P包含了全功能USB3.0各个引脚。电路图如下：

6P引脚

16P 引脚

24P 引脚

9.1 TypeC-6P

一般单片机可用下面这种电路。

如果想精简电阻，也可以这样：

CC1与CC2短路（不建议）

当供电端不带USB控制芯片时，CC1和CC2可共用一个下拉电阻，此时供电端CC2连接是断开的。但是当使用带Emark的USB控制芯片时，就不行了，此时单片机会被当做模拟音频设备（耳机）而被拒绝供电。

参考：

从树莓派4 USB-C接口设计失误看嵌入式系统的接口升级

CC1和CC2共用一个下拉电阻的问题

经过实际测试发现，树莓派4上面的这个USB-C接口，其CC1和CC2是连接在一起的，并共用了一颗5.1k的电阻下拉到地。这个设计看似非常巧妙，USB-C接口的控制做到了极致简单，只需要一颗5.1k下拉电阻。当外接的USB-C Cable是不带Emark芯片的情况下，确实可以正常工作。因为这类USB-C Cable的CC2是悬空的，只有CC1有连接到对端，所以，这种Cable跟RaspBerry 4B的USB-C接口母座一连起来，就非常好的符合了Sink端的设计规范，即CC1上，有一个5.1k的电阻下拉到地。

图2 树莓派4B在使用不带Emark 芯片的连接线时的连接情况

但是，USB TYPE-C规范里面，还规定了一种带Emark 芯片的Cable，这种Cable的CC2上，有一个1K的下拉电阻，用来告知DFP端的CC识别芯片，需要往CC2上提供VCONN Source。一旦跟这样的Cable连接起来，RaspBerry 4 Pi model B就会出现严重问题。因为CC1和CC2连接起来后，会跟Cable上的1K到地电阻并联，形成一个比1k电阻还小的阻抗，从而满足了USB-C规范中Audio Adapter Accessory Mode的连接规范，被电源端误认为是一个模拟耳机设备，从而拒绝供电。

图3 树莓派4B在使用带Emark 芯片的连接线时的连接情况

通过上图我们可以看到，Emark 连接线上的1k电阻会导致，CC1建立失败，1k电阻和5.1k电阻的并联，会导致RaspBerry 4B被认为是一个Audio Adapter Accessory Mode。解决这个问题的方法也很简单，只需要在CC1和CC2上各接一个5.1K电阻到地，互相独立就行了。这一点可以搜索一下笔者在2015年的原创文章《你真的需要TYPE-C芯片吗》。这篇文章为大家提供了判断系统是否需要使用USB-C 控制芯片的三个原则和两个实现方法。

RaspBerry 4B在USB-C接口上的设计，其实属于入门级设计，因为这个接口仅仅用来进行5V供电和一个USB2.0 通信而已，并无复杂的音视频及USB3.0功能。在实际的嵌入式开发中，一个USB-C接口的功能，可能远不止于此。下面我们就大功率供电供电、高速信号传输、双C口DRP控制三点进行阐述。

9.2 TypeC-16P

一般单片机可用下面这种电路：

同理，也可以将CC1和CC2共用一个5.1K的下拉电阻。

9.3 TypeC-24P

用24PIN的TypeC时，一般是需要用到USB3.0协议，则TypeC接口中的A2、A3、A10、A11、B2、B3、B10、B11接到相应芯片的USB3.0接口上，将CC1和CC2按相应角色进行上拉下拉或者接到芯片上即可。

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参考出处

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原文链接：Type-C接口简单介绍-面向单片机应用_type-c接口图片-CSDN博客

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