我們生活在一個不斷變化的時代,人們普遍一致感覺到的是進步而不是混亂。新興技術可能確實具有顛覆性,包括5G和人工智慧(AI),因此很容易理解它們為什麼會受到大量關注。當它們各自單獨發展時,可能會被認為不著邊際,然而,對於那些更貼近的發展,很明顯,它們將促成下一代應用領域,如自動駕駛和一個更智慧的物聯網(IoT)。與此同時,在熟悉的領域也在發生其他重大變化,包括更成熟的技術,其中包括USB。

Type-C介面代表USB的一個顯著進步,因為它提供比前代介面多更多的功能。為了支援這一願景,USB Implementers Forum(USB-IF)負責監管新功能和特性的開發,這些功能和特性有可能從根本上改變連接方式。最初USB作為一種支援和擴充PC功能的技術被推出時,在消費領域和其他領域都產生了巨大的影響。在成為連接周邊設備(peripheral)與電腦預設方法的同時,也為開發人員提供方便的除錯(debug)介面。很快它就像其名字所示那樣具有普遍性,當考慮到使用有線通訊的方式時,USB Type-C介面帶來了可與5G相當的顛覆性因素。其中一個重要的因素是設備能夠同時供電和被供電,並在這兩種模式之間進行切換,而不需要使用者的任何介入,這是有線匯流排(wired bus)所特有的,正是這種能力將有助於推動一種新的設備推出,即獨立的USB擴充基座(Dock)。

擴充基座的演進

USB集線器(hub)並非新的概念。主機一直能夠運算比透過物理埠(port)實際支援的更多設備,因此具有多個USB埠的集線器成為主機擴充物理USB埠數的簡單方法。在這種情況下,控制總是屬於主機設備,通常是一台PC,電源也一樣。

在USB Type-C規範下,主機和設備的定義更為靈活,採用雙角色埠(Dual Role Port,DRP)模式,支援設備在下行埠(Downstream Facing Port,DFP)和上行埠(Upstream Facing Port,UFP)之間切換,電源也更靈活,使設備能夠動態地提供和接收電力。這超越了USB隨時隨地使用(On-The-Go,OTG)的概念,儘管可以公平地說,USB OTG在將USB生態系統從桌面擴充到人們口袋中起了很大的作用。

USB Type-C的一個主要特點是電力傳輸(PD)。正是這種協定支援任何設備成為電源或被供電,同時不依賴資料流(data flow)。

例如,外部供電的集線器,可為筆記型電腦充電,同時連接到投影機或顯示器。在這種情況下,筆記型電腦是一個電源接收器和一個資料來源。總之,集線器成為網路的中心,雖然這有許多益處,但也帶來某些負擔。

比起所有設備都是集線器,人們更期望出現一種新的集線器或USB擴充基座,它支援多個USB Type-C埠與舊的USB埠。為了PD在這些埠之間進行協商決議,擴充基座將需要支援專門為這一新模式開發的特性。

快速角色交換(FRS)

除了DRP之外,支援新Type-C模式的一個關鍵技術是FRS,它有效地確保需要電源的設備始終可以獲得電源。實際上,在事件標準序列中,每當電源從擴充基座分離,這都會發生。FRS是一種加速電源角色交換序列的方法,這樣資料就不會被中斷(因此用戶體驗也不會中斷)。實際上,如果電源從擴充基座移除,附加在其上的周邊設備不應受到影響。

該過程是透過使用Type-C連接器上的CC接腳來控制及初始化的。如果電源從擴充基座上移除,它將透過驅動CC接腳到接地電位(Ground potential)來向它當前正在供電的設備發出訊號。此時,FRS訊號覆蓋CC埠上的任何活動,排隊等待傳輸的訊息將被刪除,當接收設備回應FR_Swap訊息時,就完成了握手協議;圖1的流程圖說明了FRS流程。

20190311TA31P1 圖1 FRS流程圖。

該規範要求在150μs或更短的時間內實現,因此需要一些額外的技術。通常,支援FRS的集線器將有多個Type-C埠可用,每個埠都有自己關聯的Type-C埠控制器(包括PD)。為了協調所有埠,PD控制器需要協力工作,這可透過使用一個Type-C埠管理器(Type-C Port Manager,TCPM)或為PD 3.0設計的具有雙角色埠和支援FRS的PD控制器來實現,例如安森美半導體的FUSB307B。

以一種持久的方式實現FRS需要考慮許多場景,例如如果擴充基座的主電源突然被移除會發生什麼。這將影響到擴充基座上的所有設備,包括TCPM。

FRS是一種支援技術,它將推動USB擴充基座的開發,以提供一種新的用戶體驗。USB生態系統正在迅速發展,在更廣泛的設備中採用USB Type-C將促進這一技術變革。透過採用支援雙角色埠和FRS的PD控制器,原始設備製造商(OEM)將能更好地運用這一新機會。

20190311TA31P2 圖2 運用FUSB307B的筆記型電腦應用範例。