USB Type-C: реверсивный разъем, упрощающий встроенное проектирование

Последняя спецификация USB 3.1 представляет разъем USB Type-C, наконец устраняя проблему ориентации, которая преследовала ранние стандарты USB. Хотя не единственный недостаток legacy USB, неспособность вставлять кабель в любом направлении была стойким раздражением для проектировщиков и пользователей.

По моему опыту, часто требуется три попытки, чтобы успешно вставить USB-кабель в устройство. Новый разъем Type-C решает это, предлагая механически симметричный дизайн, который безупречно работает в любой ориентации.

USB 3.1 приносит значительные обновления: более высокая доставка мощности, более быстрые скорости данных и умные кабели, которые самоопределяют свою роль и настраиваются соответственно. Добавленная сложность управляется небольшими встроенными электронными компонентами внутри кабеля, которые согласовывают уровни мощности и режимы данных на обоих концах.

Чтение полной спецификации может пугать, особенно по сравнению с привычными USB Micro-B и FTDI USB-UART решениями, которые мы используем в встроенных проектах. Однако спецификация USB-IF явно поддерживает подключение разъема Type-C к существующим USB 2.0 дизайнам с минимальными усилиями и без скрытых подводных камней.

Мое первое внедрение Type-C — в совместимом с Arduino электронном линейке, который я совместно проектирую с Максом Максфилдом из Embedded.com. Плата уже использует FTDI FT231X для моста UART МК к USB Micro-B разъему; теперь я добавил порт Type-C, чтобы устройство могло питаться и программироваться через любой кабель.

Диаграмма ниже показывает раскладку пинов для сигналов, питания и заземления с лицевого вида разъема.

Обе стороны разъема предоставляют идентичные пины питания и заземления, а также дублированные линии D+ и D–. Для совместимости USB 2.0 нам нужно заботиться только о D+, D–, Vbus, Ground, CC1 и CC2. Остальные пины — TX1/2/+/–, RX1/2/+/– и SBU1/2 — служат режимам более высокой скорости и альтернативным, таким как USB 3.1, DisplayPort и HDMI.

Только пины питания, заземления и линий данных USB 2.0 зеркалены точно. В режимах более высокой скорости электроника умного кабеля обеспечивает правильную маршрутизацию, в то время как дублированные пары D+/D– разъема просто предоставляют универсальный реверсивный интерфейс с двумя проводами меньше в кабеле.

CC1 и CC2 действуют как подтягивающие резисторы, информирующие умный кабель или апстрим-устройство об ориентации кабеля и вариантах доставки мощности. Базовое USB 2.0 устройство требует 5,1 кОм подтяжки (R3 и R4) на обоих CC1 и CC2.

J2 — разъем Type-C, в то время как J1 — разъем Micro-B. Все пины D+ и D– подключены к FT231X (U2) USBDM и USBDP через резисторы 27 Ом (R1 и R2), зеркаля стандартную раскладку USB 2.0. Все остальные пины остаются неподключенными.

Для защиты от обратного питания 5 В, если оба кабеля вставлены одновременно, я добавил защитные диоды (D20 и D21). Хотя коллизия линий данных просто сделает соединение непригодным, диоды защищают МК от потенциальных скачков напряжения.

Раскладка ниже иллюстрирует относительные размеры разъемов Micro-B (J1) и поверхностно-монтируемого или сквозного Type-C (J2).

Сравнительный вид показывает USB Micro-B (верхний левый), поверхностно-монтируемый Type-C (верхний центр) и комбинированный SMT/сквозной Type-C (верхний правый), все измеренные против американского дайма для масштаба.

Пока USB Type-C не станет повсеместным стандартом, я буду продолжать предусматривать оба разъема на своих платах, если позволяет пространство. А вы? Уже внедряете Type-C в свои встроенные системы или есть таймлайн для принятия?