易冲半导体的USB4.0技术简介及易冲相关产品应用介绍

前言

目前，USB4接口已经在PC主机、笔记本电脑、一体机、迷你主机、VR头显等终端上得以普及，周边生态如全功能线缆、硬盘盒、扩展坞种类丰富，伴随iPhone15旗舰手机的加入，未来有望一条USB4全功能线缆完成端到端数据、视频、充电、音频全搞定，缩短等待时间，大幅提升生产效率。USB4的应用从20Gbps起跳，目前40Gbps已经普及，未来80Gbps和120Gbps也将迎来商用，可见USB-C高速接口生态一直在挑战数据传输极限，将极速进行到底。

由充电头网举办的2023 USB4高速传输技术研讨会已经于10月17日在充电头网公众号以及哔哩哔哩平台进行直播。本次直播邀请了USB-IF授权实验室、头部芯片企业、连接器企业、精密制造企业专业人士等领域的数十位各个领域的大咖为大家答疑解惑，并进行深入的交流与讨论，分享市场最新动态与干货。这些讨论有助于推动高速传输技术的发展，提高用户体验，促进行业的进步。

其中成都市易冲半导体有限公司（简称：易冲）受邀出席，带来了《USB4.0技术简介及易冲相关产品应用介绍》的精彩演讲。演讲嘉宾为易冲协议AC/DC产品线AE Manager干成杰先生。

干成杰先生曾就职美资半导体公司。现为易冲半导体协议产品线 Manager，主要负责快充产品线开发定义等工作。

要理解Type-C的原理，首先要了解他的PIN脚定义，Type-C口有4对TX/RX分线，2对USBD+/D-，一对SBU，2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。

USB Type-C接口是一种新型的USB接口标准，它具有小型、快速和双向等特点，被广泛应用于各种电子设备中。USB Type-C接口采用小巧的设计，使其成为各种便携式设备的理想选择。：USB Type-C接口支持快速传输数据，最高双向传输速率可达80 Gbps，能够满足各种高带宽应用的需求。USB Type-C接口具有大容量供电能力，最高可提供240W输出，可以满足各种设备的电源需求。

USB超速历史不包括USB 2.0，从USB3.0开始算。目前，按照USB-IF最新的命名方法，USB3.1(Gen1)和USB3.2(Gen1)都命名为USB 5Gbps，USB3.1(Gen2)和USB3.2(Gen2)命名为USB 10Gbps，USB3.2(Gen2x2)命名为USB 20Gbps，USB4 1.0命名为USB 40Gbps，USB4 2.0命名为USB 80Gbps。新一代USB协议终于要告别NRZ编码了，采用的是不同于PCIe告别NRZ时所用的PAM-4编码，而是PAM-3编码。

在USB 5Gbps和USB 10Gbps的通信协议下，是采用2对TX、RX信道来进行数据的高速传输，通过CC1和CC2来确定正反插，如果是正插就采用TX1和RX1进行传输，如果是反插就采用TX2和RX2的信道来传输。但从USB3.2 Gen2x2版本开始，为了有更高的带宽，就将type-C接口本来不用的另一组差分也用上了。具体来说，上图中的蓝色两个通道在该版本之前正插反插都是只用到一组的，从该版本开始，正插反插就都是两组全用了。

SBU信号是为Alternate Mode（主要是DP）和Audio Adapter Accessory Mode等模式预留的使用，后面讲到这两个模式再具体分析。

USB 3 是在传递USB的信号，但USB 4 使用了隧道技术，类似于将USB、DP、PCIe封装到一起进行传输，不过这里面三个协议各自有其带宽上限。USB4技术很好避免了USB 3独占信道造成信道浪费的情况，可以更加充分的利用USB信道。对于USB 4，其1.0版本和USB 3在每个lane的速度上是暂时一样的，2.0版本 则在USB 3.2的基础上再翻倍，但数据传输的内容和方式就有很大的差别。

USB4隧道是通过USB4封包规则进行封包，然后统一在USB信道上面进行传输，传输到目的后，例如USB4 Device上时候，进行信道分解，每个信道进行独立处理。这样可以提高信道的传输效率，避免信道的浪费。

USB4最主要的升级是编码传输信号改为PAM3编码，左上角图片就是PAM2/3/4的信号图，以PAM2信号为例，高电平为1，低电平为0，它的码源就传输了一个二进制的bit，而换成 PAM-3后就会有3个不同的电平进行传输，PAM-4 其实是一个码元里面进行2个二进制的传输。将 NRZ 与 PAM-3 和 PAM-4 进行比较时，可以看到 PAM-3 的数据传输率处于NRZ和PAM-4的中间。在这种情况下使用 PAM-3 的原因是为了在实现更高的带宽的同时，具有更高的性价比和更容易实现。

USB4的编码方式是通过把11个二进制码转成7个三进制码实现的，这个转换效率在99.14%左右，所以USB 4的 PAM-3实际传输效率在1.57个bit，1.57个bit在USB4规定的单带宽25.6GBauds左右时候，就可以达到它单带宽40Gbps的传输速率，既然Type-C接口有4个差分信号对，那双向传输的速率就是80Gbps。最近还发布了一个关于USB4动态管理的协议，支持最高120Gbps的上行或者下行速率，另外一个信道支持40Gbps。

以上是USB4的部分特性，可以看到USB4的大多数特性都需要E-Marker芯片进行支持的，按照Type-C的规定，3A以上输出功率或USB 2.0以上的传输速率，都需要E-Marker芯片进行支持。

易冲半导体在PD协议深耕多年，有很多优秀的产品可以分享给大家，首先是支持全功能USB4特性的CPS8821F/G芯片，完美兼容USB4, USB3.2 Gen1/Gen2，USB3.1和USB2.0。支持Discover Identity，Discover SVID，Discover Modes，Enter Modes和Exit Modes命令，支持Manufacturer Info数据包，方便厂商将相关信息存储在线缆中。

CPS8821F/G还支持主机认证功能，针对PD3.1高输出电压应用，CPS8821F/G系列增强了ESD和高压pin的耐压能力，使CC与Vconn能提供33V的高压保护，并集成了VBUS与CC/Vconn短接的检测保护。

除了常用功能，CPS8821F/G芯片还有很多特色的功能。比如分档温度保护功能。右图就是一个配套的芯片烧录的软件界面，E-Marker芯片可以通过该软件进行一些简单的设定来配置OTP的阈值，目前拥有4档可调，阈值选定后烧录即可。

以上是抓包得到的保护情况示例图，可以看到温度达到设定的温度值后，E-Mark芯片会主动发出硬复位信号到CC线上，然后会导致适配器与用电器的断充，然后通过断充来进行降温与保护线缆和接头。

CPS8821F/G芯片的另一个特色是线缆加密功能，内置Multi-OTP 专区预留加密区域，支持私有加密算法的定制，IC支持打新补丁或者增加新功能，非简单VID设定，有利于专线专用，防止伪劣产品的好处。

以上是使用易冲 CPS8821F/G芯片方案来实现的一个雷雳4的线缆产品，支持最大240W传输，兼容USB4的协议。

以上是一个数显E-Marker线缆的示例图。

以上是易冲半导体E-Marker的产品线，可以看到 CPS8821F/G芯片均支持USB、PD3.1、雷电协议。

以上是成都市易冲半导体有限公司在2023 USB4高速传输技术研讨会上的精彩演讲，想了解更多资讯可前往易冲官网进行了解。

充电头网总结

USB Type-C接口是一种新型的USB接口标准，它具有小型、快速和双向等特点，被广泛应用于各种电子设备中。随着USB-C接口传输速率和功率的提升，USB-C线缆都将使用E-Marker芯片来标记线缆能力，如果线缆的传输电流超过3A，且支持USB4数据传输，就必须要用E-Marker芯片来标记线缆。

对于目前的支持高速传输和快充的线缆产品来说，USB4的高速率和PD3.1的大功率快充，都必须使用E-Marker芯片来标记线缆的功率传输能力，才能进行工作。而易冲半导体推出的两款E-Marker芯片CPS8821F/G，非常适合厂商应用，具有高集成度的同时具有极简调试方式，可以有效降低了整体成本，同时提升了整体的稳定性。烧写保护便于灵活调试，更新产品信息，满足新产品开发需求。随着USB Type-C接口的不断普及和发展，相信它将会在未来的电子设备市场中发挥更加重要的作用。