Định nghĩa chân cắm của giao diện Type-C là gì?

Thông số kỹ thuật giao diện mới nhất được giới thiệu sau Type-B. Khác với giao diện USB truyền thống, Type-C áp dụng thiết kế đối xứng, không cần phân biệt hướng cắm, tránh thao tác rườm rà của người dùng khi cắm đúng hướng và sai hướng. Ngoài ra, USB Type-C hỗ trợ giao thức USB PD (Power Delivery), giúp tăng công suất sạc từ mức tối đa truyền thống là 7,5W (5V1,5A) lên mức tối đa là 100W (20V5A). Thông số kỹ thuật USB PD3.1 mới nhất cải thiện hơn nữa công suất sạc Type-C, với công suất tối đa lên tới 240W (28V5A).

Đối với các thiết bị USB Type-A hoặc Type-B truyền thống, giao diện cấp nguồn (Nguồn) và giao diện tiếp nhận nguồn (Sink) đã được chuẩn hóa trong định nghĩa giao diện, do đó không cần phải lo lắng về việc kết nối ngược hoặc sai. Đối với các thiết bị có giao diện Type-C, vì không có sự khác biệt như vậy, người dùng không thể biết loại giao diện, do đó, bản thân bộ điều khiển Type-C cần phải hoàn thành nó. Vậy các giao diện Type-C nhận ra nhau như thế nào và cung cấp logic cấp nguồn chính xác?

Định nghĩa chân cắm của giao diện Type-C

Giao diện Type-C được chia thành đầu cái (Ổ cắm) và đầu đực (Phích cắm). Toàn bộ chân Type-C là 24 và định nghĩa của từng chân như sau:

1. VBUS: Tổng cộng có bốn kênh, chân điện áp BUS để cung cấp điện giữa các thiết bị, bất kể chúng được cắm vào thuận hay ngược, bốn chân này sẽ cung cấp nguồn điện

2. GND: Tổng cộng có 4 kênh, mạch cấp nguồn giữa các thiết bị, bất kể cắm thuận hay nghịch, 4 chân này sẽ cung cấp mạch cấp nguồn

3. TX+/TX- và RX+/RX-: Tổng cộng bốn cặp, dành cho tín hiệu tốc độ cao USB3.0

4. D+/D-: Tổng cộng có hai cặp, cho tín hiệu USB2.0. Tại đầu nối cái, hai cặp này sẽ ngắn mạch thành một cặp

5. CC/VCONN: Chân CC là chân cấu hình dùng để phát hiện kết nối thiết bị và hướng cắm tiến và lùi, đồng thời cũng là đường truyền USB PD; VCONN là chân đối xứng xiên với chân CC. Khi một chân được xác nhận là CC, chân còn lại được định nghĩa là VCONN, dùng để cấp nguồn cho cáp eMark

6. SBU1/SBU2: Các chân ghép kênh, chẳng hạn như cung cấp thêm SBTX và SBRX cho USB4

Đầu nối cái có 24 chân với tính đối xứng xiên ở chân trên và chân dưới để đáp ứng nhu cầu cắm ngược và cắm xuôi của người dùng; đầu nối đực có 22 chân. Vì chỉ có một cặp D+/D- trong thông số kỹ thuật USB2.0, nên chỉ có một cặp chân D+/D- được giữ lại trong đầu nối đực.

Tất nhiên, trong thiết kế sản phẩm thực tế, các kỹ sư sẽ giảm số lượng chân cắm phù hợp theo định nghĩa sản phẩm để tiết kiệm chi phí. Ví dụ, đối với các sản phẩm chỉ cung cấp chức năng sạc, như bộ đổi nguồn, các sản phẩm như vậy không yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao của USB3.0, vì vậy chỉ giữ lại các chân CC, VBUS, GND và D+/D-.

Về mặt cung cấp điện, các thiết bị Type-C có thể được chia thành ba loại

1. Các thiết bị Type-C chỉ có thể dùng làm nguồn điện (Nguồn), chẳng hạn như bộ sạc Type-C, v.v.

2. Các thiết bị Type-C chỉ có thể sử dụng làm bộ phận nhận nguồn (Sink), chẳng hạn như điện thoại di động Type-C, v.v.

3. Thiết bị Type-C (DRP, Dual RolePort) có thể được sử dụng làm cả nguồn cấp điện (Nguồn) và nguồn nhận điện (Sink), chẳng hạn như máy tính xách tay Type-C, bộ sạc dự phòng hai chiều, v.v.

Hiển nhiên, khi kết nối hai thiết bị Type-C với nhau thông qua cáp C2C, cả hai bên đều phải biết bên kia thuộc loại thiết bị nào, nếu không sẽ dẫn đến tình trạng sạc không đạt yêu cầu (như sạc ngược), hoặc không sạc được, thậm chí còn gây ra vấn đề về an toàn.

Ví dụ, khi người dùng sử dụng bộ sạc (Nguồn) để sạc pin dự phòng hai chiều Type-C (DRP), lý tưởng nhất là pin dự phòng sẽ "đóng vai trò" là Sink. Tuy nhiên, do nhận dạng loại thiết bị không chính xác, pin dự phòng có thể "đóng vai trò" là Source và gây ra "dòng điện chảy ngược", làm hỏng cả hai thiết bị.

Đặc tả giao diện Type-C phân biệt giữa Source, Sink và DRP thông qua một loạt các cơ chế "kéo lên" và "kéo xuống" trên chân CC. Đối với các thiết bị Source, chân CC phải được cấu hình với điện trở kéo lên Rp; đối với các thiết bị Sink, chân CC phải được cấu hình với điện trở kéo xuống Rd; và đối với các thiết bị DRP, kéo lên và kéo xuống được chuyển đổi luân phiên bằng các công tắc chuyển mạch.

Nguồn xác định xem thiết bị có được kết nối hay không bằng cách phát hiện chân CC ở đầu Rp và Chân cắm xác định hướng cắm tiến và lùi bằng cách phát hiện chân CC ở đầu Rd.

Điện trở kéo xuống Rd=5.1k và điện trở kéo lên Rp được thiết lập theo khả năng cung cấp điện và điện áp kéo lên của nó. Khả năng cung cấp điện của USB Type-C như sau:

1. Công suất cung cấp điện USB mặc định (Mặc định USB Power). Giao diện USB2.0 là 500mA; Giao diện USB3.2 là 900mA và 1500mA

2. Giao thức BC1.2 (BatteryCharge 1.2). Hỗ trợ công suất tối đa 7,5W, tức là 5V1,5A

3. USB Type-C Dòng điện 1.5A, hỗ trợ công suất tối đa 7.5W, tức là 5V1.5A

4. USB Type-C Dòng điện 3A, hỗ trợ công suất tối đa 15W, tức là 5V3A

5. Giao thức USB PD (USB Power Delivery), hỗ trợ công suất tối đa 100W, tức là 20V5A

Mức độ ưu tiên của năm khả năng cung cấp điện này tăng dần theo trình tự, và công suất cung cấp điện cũng tăng dần. Khả năng cung cấp điện có mức độ ưu tiên cao sẽ ghi đè lên khả năng cung cấp điện có mức độ ưu tiên thấp. Trong số đó, có thể thiết lập Nguồn USB mặc định, Dòng điện USB Type-C 1,5A và Dòng điện USB Type-C 3A bằng cách cấu hình giá trị Rp.

Khi hai thiết bị được kết nối, Sink sẽ lấy được khả năng cung cấp điện của Source bằng cách phát hiện giá trị bộ chia điện áp vRd của Rp và Rd. Sau đây là mối quan hệ tương ứng giữa giá trị Rp, dải điện áp vRd và khả năng cung cấp điện của Source.

Đồng thời, CC còn lại của thiết bị đã bị Ra=1k để nổi hoặc kéo xuống. Nếu Ra bị kéo xuống, điều đó có nghĩa là cáp USB-C có chip eMarker tích hợp và Nguồn cần chuyển chân sang VCONN để cấp nguồn cho cáp.

Cho đến nay, chúng tôi đã giải thích rằng các thiết bị sử dụng "kéo lên" hoặc "kéo xuống", hoặc luân phiên chuyển đổi giữa hai thiết bị, để xác định Nguồn, Bồn rửa và DRP, và thiết lập và xác định khả năng cung cấp điện của Nguồn theo giá trị điện trở Rp và giá trị điện áp vRd. Tuy nhiên, quá trình này được thực hiện như thế nào? Type-C tránh sạc ngược hoặc sạc không đúng cách như thế nào?