USB Type-C透過CC腳位與Rp、Rd分壓機制進行角色與電流偵測，並以USB PD協定完成電力協商與傳輸。其BMC編碼訊號支援電源角色與資料角色交換，提升裝置間供電靈活性與安全性，廣泛應用於消費與工業領域。
本文探討Type-C介面中USB PD電力傳輸的運作機制，包括訊號協商過程，以及電力/資料角色交換。透過這些基本原理，Type-C介面裝置比傳統Type-A、B等擁有更高效、靈活的充電及匹配方式。
CC腳位與電阻分壓機制
Type-C充電的供電端(source)與耗電端(sink)可進行角色互換，這是USB PD的特色之一。為了解其電力傳輸運作，首先需從Type-C介面上的CC針腳談起；Type-C傳輸的電源供應Source在CC針腳上會提供上拉電阻(Rp)、受電設備Sink則會在CC針腳上提供下拉電阻(Rd)。當Source與Sink連接時，CC針腳上Rp(上拉電阻)與Rd(下拉電阻)形成分壓電路，透過檢測CC針腳上的電壓，設備可以確定對方的角色(Source或Sink)，並完成Type-C介面偵測與角色協商，如圖1所示。
圖1 USB PD控制訊號、數據訊號與擴展訊號流程
除了介面的電源角色外，在標準Type-C設計中，Rp和Rd也會影響電力傳輸的額定電流值。在USB PD充電時，Rp由Source提供，Rp電阻的阻值決定了Source能夠提供的最大電流；Sink會根據Rp電阻的上拉強度來偵測該Source電阻值，並根據Source能力來限制自身的電流消耗。
Source/Sink連接完成後，CC針腳可用於向連接的設備傳輸和接收USB PD訊號。此外，在電流超過3A、使用USB 3.0資料速率，或執行DisplayPort或Thunderbolt替代模式的情況下，CC針腳亦可透過VCONN(相對應的CC腳位)為內建電子標記(e-marker)的傳輸線供電，如圖2。
圖2 Type-C CC針腳在Source與Sink之間的電力角色判斷原理
Type-C針腳中的電力傳輸訊號
在Type-C的CC腳位中，USB PD傳輸訊號主要分為三大類：控制訊號(Control Messages)、資料訊號(Data Messages)和擴充訊號(Extended Messages)。
控制訊號(Control Messages)
訊號長度較短，主要用於管理介面之間的訊號流，或傳輸不需要額外資料的訊號。控制訊號的長度為16位元(bits)，其種類如表1所示。
表1 控制訊號種類
資料訊號(Data Messages)
用於在不同介面連接時，彼此交換資訊，訊號長度範圍從48位元到240位元。主要分為三種類型，詳細種類如表2所示：
・用於協商的訊號：這類訊號用於傳遞設備的電力或功能能力，以便進行USB PD電力協商。
・用於內建自測(Built-In Self-Test, BIST)能力的訊號：這類訊號用於設備的內部診斷與測試，確保USB PD系統能夠正常運行。
・廠商自定義(Vendor-Defined)使用的訊號：這類訊號允許製造商定義專屬的USB PD通訊協定，以便支援特殊功能或專有技術。
表2 數據訊號種類
擴充訊號(Extended Messages)
和資料訊號類似，也用於在介面傳輸之間，供雙方交換進階資訊。主要包含以下幾種類型，其種類可見表3：
・用於提供Source和電池資訊的訊號：這類訊號可傳遞Source/Sink設備的電源狀態、電池電量等資訊，以便協商最佳的充電策略。
・用於安全性的訊號：這類訊號用於身份驗證、資料保護以及其他安全機制，以確保USB PD通訊的安全性。
・用於韌體更新的訊號：透過USB PD傳輸，設備可以接收韌體更新訊號，支援遠端更新和功能升級。
圖說
USB PD電力傳輸的流程
USB PD採用雙向標記編碼(Biphase Mark Code, BMC)進行訊號傳輸，資料速率為300kbps±10%，透過CC針腳在兩個設備之間傳遞訊號，以下為訊號傳輸的過程，如圖3所示：
Source開啟USB PD協商
由下行埠(Downstream Facing Port, DFP，或稱Source)發送第一個Source_Capabilities訊號；此訊號包含電源資料目標(Power Data Objects, PDO)，表示Source可提供給Sink的電力選項；上行埠(Upstream Facing Port, UFP，或稱Sink)會回應Good CRC訊號，確認訊號已成功接收。
同時，所有USB PD訊號(包括Source_Capabilities)都必須包含循環冗餘校驗碼(Cyclic Redundancy Check, CRC)，以確保資料完整性，防止傳輸錯誤。
Sink發出需求內容
當Sink和UFP接收到Source_Capabilities訊號後，會選擇合適的電源選項，將請求的資料(如PDO)封裝到需求訊號中，發送給Source端，以獲得合適的電力。
如果Source的PDO與Sink需求不完全匹配，則Sink會在需求訊號中啟用Capabilities Mismatch位元，通知Source介面該不匹配情況。
調整VBUS電壓以匹配Sink接收電壓
DFP/Source收到來自Sink的Request訊號後，經過評估，若其能力符合要求，則Source會發送接受訊號，附加CRC校驗碼，表示接受Sink的請求。
此時觸發以下動作：
- Sink進入待機狀態(SinkStandby)，並將電流消耗降至500mA以下。
- Source開始調整VBUS電壓，從VBUS_old變更為VBUS_new，例如從5V提升至20V；以匹配Sink的請求電壓。
- 當電壓達到請求值的±5%範圍內，Source會發送PS_RDY(Power Supply Ready)訊號(附帶CRC校驗碼)，通知Sink電壓已穩定可用。在收到PS_RDY訊號後，Sink便可開始從VBUS連接埠汲取電流，最高可達所請求的PDO上限。
附帶一提，Type-C是一種「冷連接器」(Cold Connector)，這意味著當沒有設備連接時，VBUS電壓為0V(傳統的USB Type-A介面的VBUS會保持5V)。
圖3 USB PD電力協商與電壓切換流程圖
Type-C USB PD的角色交換
現行適用於Type-C介面的USB PD協定中，Source和Sink皆可以執行電源角色交換(Power-Role Swap)或資料角色交換(Data-Role Swap)，同時擔任不同的電力/資料傳送角色。
角色交換流程PR_Swap
- DFP+Source發送Power-Role Swap(PR_Swap)訊號給UFP+Sink，請求角色交換。
- UFP+Sink回應Accept訊號，確認接受角色交換。
- DFP+Source停止供電，並將CC終端從Rp轉換為Rd，表示它將轉換為Sink方。隨後，原Source發送PS_RDY訊號給原Sink，通知原Sink「我已停止供電」。
- 原UFP+Sink收到PS_RDY訊號後，將CC終端從Rd轉換為Rp，並開始在VBUS上提供5V電壓(原Sink轉換為new Source)。
- 當原Sink(new Source)確認VBUS上已有5V電壓時，將發送第二個PS_RDY訊號，宣告電源角色交換完成。
本文簡介Type-C的電力協商與傳輸方式，以幫助讀者理解USB PD在電子裝置中的運作原理。透過CC針腳的靈活協商機制，設備之間可以避免過度供電或電壓不穩定的風險。此外，USB PD協定中的電源角色交換(PR_Swap)和資料角色交換(DR_Swap)也進一步提升Type-C的靈活性；使之成為現今大眾最方便的傳輸介面選擇。
未來，隨著更多設備採用Type-C與USB PD，這項技術將不僅限於消費電子產品，還將深入工業設備、高速資料傳輸、電動車充電標準(如USB PD for EV)等應用領域，推動規格統一、高效的電力與資料傳輸標準。
(本文作者任職於翔宇科技)
參．考．資．料
[1] Technical Article - USB Type-C® and USB Power Delivery: Designing for both Extended Power Range and battery-powered systems
[2] Texas Instruments - An Engineer's Guide to USB Type-C®
[3] TYPE-C 訊號定義及線纜分類