Руководство по распиновке и функциям USB-C

В этой вводной статье будут рассмотрены некоторые из наиболее важных функций стандарта USB-C.

Вы разбираетесь в разъемах USB Type-C? В этой статье излагается анатомия распиновки USB Type-C и кратко рассматриваются его различные режимы.

USB Type-C - это спецификация системы USB-разъемов, которая набирает популярность на смартфонах и мобильных устройствах и способна обеспечивать как подачу питания, так и передачу данных.

В отличие от своих предшественников с USB-интерфейсом, он также является гибким, поэтому вам не нужно трижды пытаться подключить его.

Порт USB Type-C. Изображение предоставлено Денисом Виталием

В этой вводной статье будут рассмотрены некоторые из наиболее важных функций стандарта USB-C. Прежде чем углубиться в распиновку и объяснить, на что каждая из них способна, мы кратко рассмотрим, что такое USB-C и в чем он лучше всего.

Что такое USB-C?

USB-C - это относительно новый стандарт, который нацелен на обеспечение высокоскоростной передачи данных до 10 Гбит / с вместе с возможностью передачи мощности до 100 Вт. Эти особенности могут сделать USB-C поистине универсальным стандартом подключения для современных устройств.

USB-C или USB Type-C?

Эти два термина обычно взаимозаменяемы (мы будем использовать оба в этой статье). Хотя USB-C используется чаще, USB Type-C является официальным названием стандарта, как указано на USB.org.

Характеристики USB-C

Интерфейс USB-C имеет три основных функции:

• Имеет перекидной соединитель. Интерфейс разработан таким образом, что вилку можно перевернуть относительно розетки.
• Он поддерживает стандарты USB 2.0, USB 3.0 и USB 3.1 Gen 2. Более того, он может поддерживать сторонние протоколы, такие как DisplayPort и HDMI, в режиме работы, называемом альтернативным режимом.
• Это позволяет устройствам согласовывать и выбирать соответствующий уровень потока мощности через интерфейс.

В следующих разделах мы увидим, как эти функции предоставляются стандартом USB Type-C.

Гнездо / штекер USB Type-C

Разъем USB Type-C имеет 24 контакта. На рисунках 1 и 2, соответственно, показаны контакты розетки и вилки USB Type-C.

Рисунок 1. Разъем USB Type-C. Изображение предоставлено Microchip.

Рисунок 2. Штекер USB Type-C. Изображение предоставлено Microchip.

Дифференциальные пары USB 2.0

Контакты D + и D- представляют собой дифференциальные пары, используемые для подключения USB 2.0. В гнезде есть два контакта D + и два контакта D-.

Однако контакты соединены друг с другом, и на самом деле для использования доступна только одна дифференциальная пара USB 2.0. Избыточность включена только для обеспечения гибкого соединителя.

Контакты питания и заземления

Контакты VBUS и GND - это питание и обратные пути для сигналов. Напряжение VBUS по умолчанию составляет 5 В, но стандарт позволяет устройствам согласовывать и выбирать напряжение VBUS, отличное от значения по умолчанию. Power Delivery позволяет VBUS иметь напряжение до 20 В. Максимальный ток также может быть увеличен до 5 A. Следовательно, USB Type-C может выдавать максимальную мощность 100 Вт.

Большой поток мощности может быть полезен при зарядке большого устройства, например ноутбука. На рисунке 3 показан пример от RICHTEK, в котором повышающий преобразователь используется для генерирования соответствующего напряжения, требуемого ноутбуком.

Рисунок 3. Изображение любезно предоставлено Richtek.

Обратите внимание, что технология подачи питания делает USB Type-C более универсальным, чем старые стандарты, поскольку он позволяет адаптировать уровень мощности к потребностям нагрузки. Вы можете заряжать смартфон и ноутбук с помощью одного и того же кабеля.

Контакты RX и TX

Есть два набора дифференциальных пар RX и два набора дифференциальных пар TX.

Одна из этих двух пар RX вместе с парой TX может использоваться для протокола USB 3.0 / USB 3.1. Поскольку разъем является перекидным, требуется мультиплексор, чтобы правильно перенаправить данные по используемым дифференциальным парам через кабель.

Обратите внимание, что порт USB Type-C может поддерживать стандарты USB 3.0 / 3.1, но минимальный набор функций USB Type-C не включает USB 3.0 / 3.1. В таких случаях пары RX / TX не используются подключением USB 3.0 / 3.1 и могут использоваться другими функциями USB Type-C, такими как альтернативный режим и протокол USB Power Delivery. Эти функции могут использовать даже все доступные дифференциальные пары RX / TX.

Контакты CC1 и CC2

Эти контакты являются контактами конфигурации канала. Они выполняют ряд функций, таких как обнаружение подсоединения и отсоединения кабеля, определение ориентации розетки / вилки и текущая реклама. Эти контакты также могут использоваться для связи, необходимой для режима подачи питания и альтернативного режима.

На рисунке 4 ниже показано, как контакты CC1 и CC2 показывают ориентацию розетки / вилки. На этом рисунке DFP обозначает порт, обращенный к нисходящему потоку, который является портом, выступающим либо в качестве хоста при передаче данных, либо в качестве источника питания. UFP обозначает восходящий выходящий порт, который представляет собой устройство, подключенное к хосту или потребителю энергии.

Рисунок 4. Изображение предоставлено Microchip.

DFP подтягивает контакты CC1 и CC2 через резисторы Rp, но UFP подтягивает их вниз через резисторы Rd. Если кабель не подключен, источник видит высокий логический уровень на выводах CC1 и CC2. При подключении кабеля USB Type-C создается путь тока от источника 5 В до земли. Поскольку внутри кабеля USB Type-C находится только один провод CC, формируется только один путь тока. Например, на верхнем графике рисунка 4 вывод CC1 DFP соединен с выводом CC1 UFP. Следовательно, на выводе DFP CC1 будет напряжение ниже 5 В, но на выводе DFP CC2 будет по-прежнему высокий логический уровень. Таким образом, отслеживая напряжение на выводах DFP CC1 и CC2, мы можем определить подключение кабеля и его ориентацию.

Помимо ориентации кабеля, путь Rp-Rd используется как способ передачи информации о текущих возможностях источника. С этой целью потребитель мощности (UFP) контролирует напряжение на линии CC. Когда напряжение на линии CC имеет самое низкое значение (около 0,41 В), источник может обеспечить питание USB по умолчанию, которое составляет 500 мА и 900 мА для USB 2.0 и USB 3.0 соответственно. Когда линейное напряжение CC составляет около 0,92 В, источник может обеспечивать ток 1,5 A. Максимальное линейное напряжение CC, которое составляет около 1,68 В, соответствует допустимому току источника 3 A.

Пин VCONN

Как упоминалось выше, USB Type-C нацелен на обеспечение молниеносной скорости передачи данных наряду с высоким уровнем потока мощности. Эти функции могут потребовать использования специальных кабелей, которые имеют электронную маркировку с помощью микросхемы внутри. Кроме того, в некоторых активных кабелях используется микросхема повторного драйвера для усиления сигнала и компенсации потерь, понесенных кабелем и т. Д. В этих случаях мы можем запитать схему внутри кабеля, подавая мощность 5 В и 1 Вт. питание на вывод VCONN. Это показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Изображение предоставлено Microchip.

Как вы можете видеть, в активном кабеле используются резисторы Ra для опускания контактов CC2. Значение Ra отличается от Rd, поэтому DFP все еще может определять ориентацию кабеля, проверяя напряжение на контактах DFP CC1 и CC2. После определения ориентации кабеля контакт конфигурации канала, соответствующий «активной кабельной ИС», будет подключен к источнику питания 5 В и 1 Вт для питания схемы внутри кабеля. Например, на рисунке 5 действительный путь Rp-Rd соответствует выводу CC1. Следовательно, вывод CC2 подключен к источнику питания, обозначенному VCONN.

Контакты SBU1 и SBU2

Эти два контакта соответствуют трактам низкоскоростного сигнала, которые используются только в альтернативном режиме.

Питание через USB

Теперь, когда мы знакомы с закреплением стандарта USB-C, давайте кратко рассмотрим USB Power Delivery.

Как упоминалось выше, устройства, использующие стандарт USB Type-C, могут согласовывать и выбирать соответствующий уровень потока мощности через интерфейс. Эти согласования мощности достигаются с помощью протокола, называемого USB Power Delivery, который представляет собой однопроводную связь по линии CC, описанной выше. На рисунке 6 ниже показан пример USB Power Delivery, где приемник отправляет запросы источнику и при необходимости регулирует напряжение VBUS. Сначала запрашивается шина 9 В. После того, как источник стабилизирует напряжение на шине на уровне 9 В, он отправляет на приемник сообщение «источник питания готов». Затем приемник запрашивает шину 5 В, а источник предоставляет ее и снова отправляет сообщение «источник питания готов».

Рисунок 6. Изображение предоставлено Richtek.

Важно отметить, что «USB Power Delivery» - это не только согласование, связанное с доставкой питания, другие согласования, например, связанные с альтернативным режимом, выполняются с использованием протокола Power Delivery из линии CC стандарта.

Альтернативные режимы

Этот режим работы позволяет нам реализовывать сторонние протоколы, такие как DisplayPort и HDMI, с использованием стандарта USB Type-C. Все альтернативные режимы должны как минимум поддерживать соединение USB 2.0 и USB Power Delivery. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к этому документу TI.

Заключение

USB Type-C имеет интересные особенности. Он поддерживает молниеносную скорость передачи данных до 10 Гбит / с и большой поток мощности до 100 Вт. Вместе с перекидным разъемом они могут сделать USB Type-C поистине универсальным стандартом для современных устройств.

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.