中国硬件工程师深度揭秘任天堂Switch变砖原因

充电头网    08-14 17:54

自从任天堂2017年3月份推出Switch游戏机以来,就一直存在游戏机变砖的客诉。大量的游戏玩家和工程师就这个问题进行了分析,但都不见得全面。作为USB-C接口国内最早一批从业人员,笔者亲历整个时间的发展过程,特就这个问题与大家进行深入的探讨(因为对主机进行破解而被官方禁封的机器不在本文讨论范围)。为了让大家都这个问题更清晰,我们先来对Switch在故障后的问题进行分类:

1. 彻底黑屏,或者卡在开机logo。

2. 完全无法充电,或只有C口固定的一面才能充电,但游戏正常运行。

3. 可以充电也可以运行游戏,但是无法扩展到大屏显示。

以上是三种常见的switch故障,其背后的真实原因是什么,让我们来详细分析。首先让我们来看看USB-C接口的物理结构:

中国硬件工程师深度揭秘任天堂Switch变砖原因

图1 USB-C接口的物理结构

中国硬件工程师深度揭秘任天堂Switch变砖原因

图2 USB-C接口的逻辑结构

从图一我们可以看出,USB-C接口内部的接触pin比传统的USB-A口要密集,当公头和母座结合在一起的时候,相互之间的横向应力,可能会导致相邻的pin发生短路。一旦发生这种情况,最有可能导致系统损坏的是图2用红色标记出来的VBUS,因为VBUS最高可达20V,跟4个VBUS pin相邻的信号,一共有8个,分别是A3/A5/A8/A9和B3/B5/B8/B10,这8个信号可以分为三组。

第一组,A8/B8,为视频信号辅助通道接入到视频处理器的辅助通道。

第二组,A5/B5,为USB-C接口的CC信号控制通道,在Switch游戏机中接到内部的接口控制芯片M92T36。

第三组,A3/10/B3/B10,这组信号为高速音视频信号传输通道,介入到Switch内部的视频处理器高速信号通道。

这三组信号,如果被短路到VBUS,而且VBUS刚好处在15V状态,那么将会分别对应开篇所述的三种故障。第一组被烧坏后,内部视频芯片失效,彻底黑屏,或者卡logo,这种情况其实充电还是正常的。第二组被烧坏后,内部M92T36失效或者半失效,无法充电,由于进入视频扩展也要依靠M92T36进行USB PD通信,因此这种情况下视频扩展也会失效。

中国硬件工程师深度揭秘任天堂Switch变砖原因

Switch内部MT92T36芯片出现高压烧坏

第三组被烧坏后,由于输出的dp视频跟内置显示屏的输出通道是分开的,有可能只是烧坏视频输出功能,掌机模式仍然不受影响。

为了避免USB-C口所固有的这种问题,任天堂其实做了很大的努力。任天堂所提供的,跟USB-C接口有关的Switch配件有两个,一个是充电头,一个是Docking。我们来先看看简单的充电头,这个充电头的特点是,线与头是一体的。这种设计的好处是,避免了充电头那端一个C公头和一个C母座接触带来的短路风险。等于是比普通的充电头,两端都要进行C公和C母连接的方式,降低了一半的风险。

中国硬件工程师深度揭秘任天堂Switch变砖原因

仅一端需要插入的USB-C适配器降低了一半的插入损坏风险

我们再来看看Docking。任天堂原装Docking的封闭结构曾经让很多人吐槽,觉得是块大砖头。但是这块大砖头,恰好解决了可能的因为引力带来USB-C接口短路的风险。插入原装Docking后,Switch主机被完全限制住,不可能对USB-C接口产生横向应力。从而避免了短路情况的发生。

第三方配件,最容易导致变砖的,就是底座形式的Docking。很多商家模仿了原装底座,自作聪明的进行了非常多的简化,最后的底座简洁到似乎只剩一个USB-C公头。虽然一样做了避免左右方向应力的限位结构,但是,过短的支撑架会像杠杆那样把纵向应力转换为横向应力。特别是当主机在底座上,使用者把手柄再插上来的时候。由于不像原装底座那样,拥有全尺寸支撑架,纵向插入手柄的力量,在支撑架的杠杆效应下,对USB-C接口产生很大的横向应力。灾难往往就这样发生了。据说其中一家底座公司甚至因此在美国给告上了法庭。

中国硬件工程师深度揭秘任天堂Switch变砖原因

无横向应力保护结构的Docking

以上所述三个原因,都涉及到物理结构,是VBUS通过与旁边的pin短路烧坏了Switch主机。那么有没有可能通过VBUS这个pin本身,把Switch主机烧掉呢?答案是有可能。但是,问题不出在插入充电器进行充电的应用场景。因为Switch主机的VBUS通路的输入耐压值,是按照20伏来设计的,所以,即使电源适配器上的协议失效,直接把20V接入到VBUS,只会导致充电暂停,却不会损坏主机。

真正会通过VBUS烧坏Switch的应用场景,仍然是Docking的供电协议控制。由于USB-C接口具有双向供电特性,所以,当Docking只接了switch主机,没有接电源适配器的时候,Switch主机会往Docking输出5V电压,以支持游戏控制手柄或者是外接网卡等配件的使用。这个时候,VBUS上暴露出来的,不是输入通道,而是输出通道。

这个5V输出的耐压值计算,不是20V,而是真实的5V系统的耐压。如果Docking不符合USB-C协议的规定,在Switch主机处于5V输出状态的时候,把20V电压灌入进去。问题将会相当严重,因为5V系统甚至可以影响到CPU的供电,直接烧坏CPU,导致完全无法修复的结果。

这类问题属于Docking产品设计中的严重问题。主要原因是出在内部使用的USB PD协议控制芯片的选择上。为了让系统更为稳定,推荐使用通过USB-IF认证的芯片系列,这类芯片至少通过了协会指定的4套专业仪器测试,可以确保控制逻辑的安全性,例如LDR6282(USB-IF认证TID:1000168,VID 0x2d79)等。

除了第三方Docking造成的问题外,消费者在实际使用Switch过程中要注意些什么问题来避免出现变砖呢?很显然,最主要的就是避免横向应力的产生。USB-C接口在设计上为了让连接更为稳固,内部做了结构上的咬合设计。所以,插入和拔出的时候,都会让人觉得需要用一些力气。很多消费者在发现接口连接比较紧的时候,都会尝试左右摇摆。

这正是USB-C口使用过程中的大忌。多次摇动后,横向应力可能导致接口内部的pin及其旁边的绝缘结构发生松动,构成潜在的短路风险。当然,随着usb-c接口的普及。大多数的设备都已经对VBUS旁边的pin进行了20V耐压设计,不再像Switch那样容易损坏了。相信下一代的Switch也已经选用了耐压值更高的USB-C接口控制芯片,以提高系统的可靠性。

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