Type-C® 接口生态圈的技术应用与剖析

2022年10月4日欧盟会议正式宣布 USB Type-C® 作为小型电子装置的通用充电标准，通用标准旨在减少电子垃圾，提高产品利用率，并让消费者更便利。欧盟通用充电于2024启动，其针对的装置除了手机之外，还包含平板、电子阅读器、耳机、VR和AR等各类中小型便携式电子设备，而在2023年， Apple® 亦将其原本的Lightening 接口产品均更新换代至C口，USB-C® 接口一统天下之日指日可待。

各式装置设备、线缆等虽说都是使用 USB Type-C® 接口，但是其中的技术应用却大有不同，最终导致其数据传输能力、影音表现能力均不同。您真的了解 USB-C® 接口吗？

USB Type-C® 只是指接口的应用界面，外观上最大的特点在于其接头上下端完全一致，没有区分 USB 的正反面之分。USB4、Thunderbolt 3、Thunderbolt 4、USB Power Delivery（后文简称PD）、DisplayPort（后文简称DP）等技术协议均可建立在 USB Type-C® 接口之上。由于市场上的 Type-C 接口并不一定会支持数据传输、音影传输等所有功能，所以，消费者在采购 USB-C® 产品时，需跟销售确认详细信息。

以 Type-C Host 设备接口为例，下图为其技术对比剖析。

图一：协议比较

目前市面上常见的Type-C接口，分别是使用PD、USB®、Thunderbolt、DP等技术。我简单整理了各类技术之间的对比，PD技术和DP技术中只带有自己的独立协议（见图一），而最新的 USB4® 技术则具备了目前最为万能的 Thunderbolt 技术，还包含了 PCIe、USB3.2、PD 和 DP 协议。

图二：音视频传输比较

我们也可以通过协议层去理解不同技术传输的具体数据，由于 USB4® 具备了 DP 的协议层，所以其可传输音视频，而 Thunderbolt 4 在音视频的协议是直接对标 DisplayPort 2.1，因此这两项技术均可支持2台4K或是1台8K的音视频播放。

图三：数据传输速率比较

而到了数据传输方面，USB4® 最高可到达20Gbps（该传输速率为可选，因此并不是每一个USB4技术接口都是支持20Gbps），而 Thunderbolt 3和 Thunderbolt 4最高可支持20.625Gbps的数据传输（该传输速率为必选，即每一个 Thunderbolt 3或4的接口都需要支持到20.625Gbps的速率）。

通过以上三张图表的分析，我们观察可得 PD 协议，从理论上来说只支持充电，若要有更多功能，则需支持别的一些协议。

什么是 USB-C® Alt Mode（交替模式）？

USB-C Alt Mode，也称为 USB Type-C Alternate Mode，是PD协议的一项功能，允许 USB-C® 端口传输非USB信号。如前文说的 Thunderbolt 3和 Thunderbolt 4，DisplayPort 2.1 除了 USB® 数据传输和供电等标准 USB® 功能外，USB-C® Alt Mode 还支持通过同一物理连接器传输其他协议和信号。以下为目前 Alternate Mode 的应用：

DisplayPort Alternate Mode
Thunderbolt Alternate Mode
VisualLink Alternate Mode
HDMI Alternate Mode
MHL Alternate mode

欲了解DP Alt Mode，请参考技术文《DisplayPort over Type-C 2.0入门及規格更新》

HDMI Alt Mode 支持全面的HDMI 1.4b功能：

4K分辨率
3D (4K & HD)
音频回传通道(ARC) & HDMI以太网通道(HEC) & 消费电子控制(CEC)
高带宽数字内容保护技术 HDCP 1.4 & HDCP 2.2
色深（DeepColor）功能和x.v.Color功能

图四：HDMI Alt Mode（图源：HDMI官网）

MHL Alt Mode 可通过 USB -C® 物理接口直接传输视频信号，但基本限于手机应用，由于 HDMI Alt Mode，MHL Alt Mode 和 VisualLink Alternate Mode 实际应用场景较少，本文暂不讨论。

你日常看到的 USB Type-C® 接口，如何通过标志区分其功能？

Type-C接口旁边是否有SS标志？若有，则该接口支持数据传输功能。
Type-C接口旁边是否有雷电（Thunderbolt）标志？若有，则该接口支持Thunderbolt 3或Thunderbolt 4功能。您可以使用该接口进行充电、数据传输，由于Thunderbolt含有DisplayPort Alt Mode模式，您也可以进行音视频信号传输，直接连接显示器。
Type-C接口旁边是否有闪电标志（注意闪电和雷电的标志不同）？若有，则该接口仅支持充电功能。
Type-C接口旁边是否有D（DisplayPort）标志？若有，则代表该接口为DPC接口，可支持音视频信号传输。

图五：各类技术标志

一般来说，终端产品都会在Type-C接口打上其功能性标志（参考图五），用户可根据自己的需求，从而采购最为适合自己的产品。当然，你也可能会在产品上看到不同标志的排列组合，这代表着该 Type-C® 端口具备多种功能，如下为 MFDP（即Multi-function DisplayPort）端口，通道中的4对lane，可以分成两对 lane 传输DisplayPort, 两对 lane 传 USB 数据（这是 DP 协议的 Pin Assignment D技术），代表该接口不但可以传输 USB® 数据，也可以传输音视频信号。

图六：MFDP 标志

通用标准Type-C生态圈兼容性必不可少

由于 Type-C® 生态圈技术多样化，因此在USB®认证、PD认证及Thunderbolt认证中，都含有兼容性测试，以保证产品上市后，能与市面上大部分产品兼容，提高用户体验。

Google 针对 Chromebook OS 更新当中，亦列入 USB Type-C® 线提醒功能，告知使用者该传输线是否与装置需求完全匹配。提醒内容包括使用的 USB Type-C® 线是否支持高效率USB4®/Thunderbolt 3。而在 Win 10和 Win 11的电脑中，若您使用不适配的 USB® 或 Thunderbolt 装置/线缆时，也会收到 Billboard 的通知，如： USB4® 装置功能可能受到限制。

价格低廉的线材也不会支持全部 USB Type-C® 提供的功能。

USB Type-C® 兼容性测试

USB-IF发布的《Interoperability Test Procedures for Peripherals, Hubs and Hosts》中，有针对样品进行兼容性测试，验证产品插拔/影音播放/数据存储等应用情景下（图七为其中一种连接测试方式），功能不受影响，用户能正常使用。

图七：USB Type-C Interoperability Tree

USB Power Delivery 兼容性测试

在PD认证测试中，规范中亦有针对兼容性所进行的验证，主要使用到以下设备：

MacBook Air M1
Google Phone Pixel 4
Google PixelBook Go
Samsung Galaxy S21
ASUS 4K Monitor MX27U

PD 兼容性测试中验证产品在睡眠/唤醒/重启/关机/热插拔等状态下，能否给 Device 顺利充电，Vbus 状态保持稳定。

Thunderbolt FV（功能性）测试

针对 Thunderbolt 接口，则需要做 Functional Verification（简称FV）认证。以样机为笔记本电脑为例，需要 Thunderbolt 3 Passive & Active Cable 和 Thunderbolt 4 Passive & Active Cable 连接以下不同的设备进行测试。测试场景包括 BIOS 安全性验证/插拔/Sx/P2P/NVM更新/影音播放/复杂性连接测试等。Thunderbolt 的 FV 认证相对来说比较复杂，花费时间也相对久。

图八：Thunderbolt FV Host Topologies

总结

虽然从接口形式上都是 Type-C® 接口，但是技术侧重点不同，PD（Power Delivery）主要强调其快速充电能力，最高可达240W充电功率；USB 3.1 Gen2强调更快的USB数据传输；USB4® 不但是 USB® 最新技术规范，更是 Thunderbolt 4的技术基础，因此 USB4®和 Thunderbolt 4提供类似的功能，但在实现和支持的特定功率方面会略有不同。而 DP，Thunderbolt 在 Type-C 口上的应用都是通过交替模式（Alt Mode）来实现的。

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