Granite River Labs, GRL
趙婉伶 Linda Zhao
在還沒有USB Type-C及Power Delivery（PD）問世前，傳統的USB世界裡是沒有Dual Role這個角色的，Data與Power 角色是非獨立運作的，言下之意是作為Host 的一方必然成為DFP及Source，而作為Device的一方則為UFP及Sink。然而，Type-C及PD的出現打破了這個規則，Data與Power 角色可以獨立運作，作為DFP的角色可以成為Sink，反之，UFP也能成為Source。
本篇文章將為大家說明，在PD溝通協議的幫助下，USB Type-C 的Power和Data角色如何溝通及切換，也就是常聽到的Power Role Swap（PR Swap）、VCONN Swap（VCONN Swap）、Data Role Swap（DR Swap）和Fast Role Swap （FR Swap）。
文章開始前，若想先初步認識USB和PD，可以先閱讀GRL出品的另外兩篇文章「淺談 USB–Universal Serial Bus」及「Power Delivery 的源起與規格」。
USB Type-C角色介紹
首先簡單、快速地介紹一下Type-C角色的定義以及架構，分為Data及Power角色：
表1: Type-C Data角色定義
表2: Type-C Power角色定義
對接的兩端透過CC與VBUS偵測是否有合適的裝置連接上：
- Source （SRC）：
監測CC pin電壓，當Source偵測到CC pin上Rd，表示接上Sink，則Source會在 VBUS輸出5V，此時Source也會預設為DFP。 - Sink （SNK）：
偵測VBUS，有5V時可知此時連接上Source，此時Sink會預設為UFP。
接著Source 會開始第一次的PD協議，直至Sink收到PS_Ready後，SRC和SNK即完成初步的PD協議，如下圖所示。
圖1: PD協議示意圖（Source 會用SOP’與Cable 溝通確認Cable的能力；用SOP與Sink 溝通完成PD協議）
Power Role Swap功能介紹
當今天做PD溝通的兩端皆為DRP時，若雙方都沒有Try.SRC或Try.SNK的能力（嘗試作為SRC或SNK），那麼當雙方對接上後作為Source 或Sink的機率是隨機的，所以在完成初步的PD協議後成為Source或是成為Sink 的一方可能並不是產品偏好的狀態或是當前合適的角色，因此雙方在完成初步的PD 協議後，會依據產品當下的電力狀態（如Source/Sink Capability或有無External Power）及其產品偏好發起Power 角色調換的要求，即Power Role Swap（PR Swap）。
舉例來說，一般情況下Type-C筆電通常會在對接剛完成後成為Source，但當筆電接上帶有外接電源的Dock時，Dock或筆電經常會發起Power Role Swap。原因是大多數的筆電其Source Cap.只有15W且帶有電池需要被充電，而Dock 的Source Cap.常是大於15W甚至是60W以上，所以當筆電電源不足或未接上筆電本身的電源供應器時，多數情況下Dock作為Source的能力會比筆電來的好，當然，這並不是絕對的，是否能夠完成PR Swap，仍需視雙方是否能夠完成PR Swap 的協議來決定。
那麼，誰能夠負責發起PR_Swap的訊息呢？筆電還是Dock？Source還是Sink？答案是，Source和Sink 雙方皆可。但收到PR_Swap 要求的一方也可以視自身能力和當前狀況回應「接受（Accept）」、「拒絕（Reject）」或「等待（Wait）」的訊息來決定是否進行PR Swap的動作。
圖二我們以Sink發起PR_Swap訊息為例，說明PR Swap 一連串的過程及PD規範中對於PR Swap時CC切換和VBus電壓轉換的流程，圖三則是利用GRL-A1記錄下VBus在PR Swap 過程的變化：
圖2: Sink Initiate PR Swap流程圖
圖3: GRL A1 VBus Transtition示意圖
以下為圖3說明：
#1 Sink在發起PR_Swap後，#2、#3 Source接受PR Swap後發出Accept 的訊息並將CC Pin上的Rp切換到Rd後發出PS_RDY成為New Sink。假如初始Source 不接受PR Swap或是正在忙碌需要Sink 等待，則可在收到PR_Swap的請求後分別發出Reject 和Wait的訊息。
#4當初始Sink 收到從New Sink發出的PS_RDY後，原始Sink 也會將Rd切換到Rp成為New Source並發出PS_RDY，此時，PR Swap基本上就完成了。
最後New Source會再發出新的Source Cap.與New Sink完成新的PD協議。
對於Source、Sink電壓轉換、切換時間規範，可以參考下圖四和和表三，在PD測試規範中明確規範了Initial Source 的VBus在收到Initial Sink對Accept訊息發出的GoodCRC後，要在tSrcTransition時間開始切換到standby 狀態，並在tSrcSwapStdby (t2) 時間降至0V，切換成New Sink，最後發出PS_RDY從而啟動PSSoucreOnTimer。而Initial Sink 在收到Accept訊息後，啟動PSSourceOffTimer，在Initial Soure切換到Standby之前關掉電流的拉載，並在收到New Sink 的PS_RDY後停止PSSourceOffTimer，轉換成為New Source，最後在tNewSrc(t3)時間重新上電回到Vsafe5V發出PS_RDY。New Sink收到NewSource發出的PS_RDY後回GoodCRC，New Source便可開始新的PD 協議。
圖4: PD Spec. 規範Sink 要求PR Swap 的切換流程
表3: PR Swap時間參數
值得留意的是，在整個PR Swap的過程中，我們完全沒有提到Data和VCONN的角色，因為Data的角色及VCONN Source並不會因PR Swap而改變，即使VBus會因PR Swap的過程將VBus切斷再重新上電，但PD重新溝通後的Data和VCONN皆不會因為PR Swap對調而改變。意即，若一開始為DFP，那麼在PR Swap過後，DFP仍為DFP，VCONN Source的一方仍為VCONN Source。
– VCONN Swap
另一個做為Power的角色，提供Cable Power：VCONN Source，當Cable上有e-Marker時，e-Marked IC便需透過Connector 上的其中一個CC pin得到VCONN Power。那麼由誰來提供VCONN電源？一開始一樣是雙方一對接上隨機成為VBUS Source的一方會預設為VCONN Source，完成初步的PD 協議後，產品可以依照能力提出VCONN Swap的要求。
圖五舉例DFP 作為 Initial VCONN Source 並發出VCONN_Swap請求的流程（在此過程中，VBUS Power和Data角色一樣不會因為VCONN SWAP過程而轉變，只是為了解釋方便，所以會提及DFP和UFP）：
#1 Initial VCONN Source 發出VCONN_Swap。
#2 、#3 UFP在接受VCONN_Swap後接受請求回覆Accept訊息，此時UFP 開始對VCONN 供電並在tVONNSourceOn（表四）時間內發出PS_RDY；假如接收VCONN_Swap的一方不接受VCONN Swap或是需要VCONN Source等待，則可在收到VCONN_Swap的請求後分別發出Reject 和Wait的訊息，若是不支援當VCONN Source則可發Not_Supported。但要注意若收到VCONN_Swap請求的一方現為VCONN Source，那麼是不能夠Reject 和Wait的。
而#4 Initial VCONN Source在收到PS_RDY後，則在tVCONNSourceOff（表四）時間內關閉VCONN 供電，完成VCONN Swap動作。此時，可以發現與PR Swap不同的是，VCONN在過程中都不會斷電，來確保維持Cable的運作。
完成 VCONN Swap 後，New VCONN Source 需要用SOP’/SOP” 對Cable做Soft Reset，用以重新同步Message ID。
圖5: Initial VCONN Source Request VCONN_Swap流程圖
表4: VCONN Swap時間參數
Data Role Swap功能介紹
了解Power Role的角色轉換之後，接著我們看到Data角色的轉換，Data Role Swap （DR Swap）同樣是利用PD協議來完成。那麼為什麼需要DR Swap呢？因為對於DRP 的Data角色來說，雙方一對接上，並在完成第一次的PD協議之前，隨機成為Source的一方會預設為DFP，反之，Sink則為UFP，所以當初步的PD協議完成後，產品一樣也可以依照需求提出DR Swap的要求。
DR Swap的整個流程（圖五）相對於PR Swap來說簡單的多，要留意的是，若收到DR_Swap Requst的當下，DFP/UFP已進入任一Active Mode，那麼在進行DR Swap前需先執行Hard Reset使雙方離開Active Mode 再重新PD 協議，若Cable也在Active Mode時，則Cable也需先離開Active Mode。
圖6: UFP Initiate DR Swap流程圖
那DR Swap過程對於VBus、VCONN有影響嗎？除非雙方已進入Active Mode 所以在DR Swap前需要進行Hard Reset 的動作，否則，VBus 、VCONN在DR Swap的過程中是不會中斷的，亦即VBus 會維持供電，CC上的Rp、Rd也不會調動。
Fast Role Swap功能介紹
最後介紹的是Fast Role Swap（FR_Swap），FR Swap 其實也是一種PR Swap，只是FR Swap是發生在較緊急的狀態下需要快速的切換Power 角色，因此整個流程會跟PR Swap有些許的不同。
舉例來說，下圖是一般狀態下Host、Dock、Device的連接狀態，Dock作為Host 和Device一開始的Source供電來源（Initial Source），但Dock本身的電源突然斷了，此時為了維持Device的連接及資料的傳輸，Host和dock之間便會進行FR Swap的動作，使Host快速地成為Source。
另外，並非所有市售產品都支援FR Swap，要能夠進行FR Swap的先決條件必須連接雙方都支援此項功能，FR Swap才得以進行。
圖7: Host、Dock、Device串接示意圖
圖八可以完整的了解到整個FR Swap 的流程。當Dock偵測到電壓下降，會隨即發出一個Fast Role Swap signal，Host 接收到訊號後，便會傳送FR_Swap的訊息用以完成Source 和Sink 角色的交換，後面的溝通流程大致與PR Swap相同。除了在Role Swap訊息溝通前會有一個Fast Role Swap Signal外，FR Swap與PR Swap 最大的不同， 可以說是VBus的切換時間， 若原先Dock與Host之間的VBus電壓 >5V，那麼當Sink 發現VBus <VSafe5V時，Sink隨時都會供給VBus電源，即便此時的Sink 尚未完成FR Swap的 PD 溝通成為Source，Sink（Host）在此時為了維持與Dock之間的連接以及和Device的資料傳輸而緊急供給VSafe5V。
結論
Role Swap的設計給予Type-C Power和Data角色轉換更大的彈性，即便連接上時有Source為DFP、Sink為UFP的預設角色，雙方仍可以根據當下的連接狀態重新溝通決定Power/Data的角色，且不會因為Power/Data Role Swap而改變 Data/Power的角色。
參考文獻
- USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0, May 2021
- Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification Version 1.0 with Errata and ECN through May 19, 2021
- Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
作者
GRL 台灣測試工程師 趙婉伶 Linda Zhao
具五年多Thunderbolt 、USB認證測試經驗，熟悉Thunderbolt 、USB以及USB-IF PD （Power Delivery）、QC （Qualcomm Quick Charge）等測試規範，樂於協助客戶取得相關認證。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2022/02/16 AN-220216-TW
