Проблемы реализации порта USB Type-C и проектные решения

USB от 1.1 до 3.2 и выше

Впервые запущенная в 1996 году универсальная последовательная шина (USB) объединила роли нескольких различных типов соединений и повсеместно используется в компьютерных и бытовых технических продуктах. Его появление сделало подключение к компьютеру нескольких периферийных устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, камера, внешний накопитель и т. Д., Простым и удобным. Периферийные устройства больше не определялись их интерфейсами, и пользователям больше не нужно было иметь дело с несколькими типами кабелей для подключения устройств, которые они хотели использовать.

USB 1.1 позволял максимальную скорость передачи данных 12 Мбит / с. USB 2.0 поднял планку до 480 Мбит / с для выполнения широкого круга задач, включая потоковую передачу видео и быструю передачу данных с внешних устройств на жесткий диск ПК. Поставляя до 2,5 Вт при 5 В постоянного тока через обозначенные контакты VBUS и заземления, интерфейс USB также позволяет пользователям питать небольшие устройства, такие как внешние накопители, или заряжать ноутбуки и мобильные телефоны без дополнительных подключений к источнику питания. В 2007 году индустрия смартфонов обязана использовать USB-интерфейс зарядки для мобильных телефонов, чтобы можно было заряжать их от стандартной розетки USB Type-A и избежать бремени электрических отходов из-за выброшенных специальных зарядных устройств.

Сегодняшние потребительские тенденции требуют еще большей пропускной способности межсоединений для встроенных систем в интеллектуальных продуктах, таких как потоковые видеосистемы HD и 4K ultra-HD, которым необходимо транслировать контент на экраны все большего размера и обмениваться данными с высокоскоростными мультигигабитными накопителями. Новые стандарты, такие как HDMI на 6 Гбит / с, DisplayPort на 8,1 Гбит / с и Thunderbolt на 20 Гбит / с, появились для удовлетворения возросших требований.

Чтобы сохранить универсальную корону USB, Форум разработчиков USB (USB-IF) впервые представил спецификацию USB 3.2, которая определяет три скорости передачи данных:USB 3.2 Gen1 (5 Гбит / с), USB 3.2 Gen2 (10 Гбит / с) и USB 3.2 Gen2x2 (20 Гбит / с с использованием двух портов). физический интерфейс полосы движения). Они продаются потребителям как SuperSpeed ​​USB 5 Гбит / с, SuperSpeed ​​USB 10 Гбит / с и SuperSpeed ​​USB 20 Гбит / с.

Совсем недавно USB4 был определен с поддержкой скорости передачи данных 20 Гбит / с (USB4 20 Гбит / с) и 40 Гбит / с (USB4 40 Гбит / с). Имея обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и Thunderbolt 3, USB4 вносит изменения, включая архитектуру туннелирования, ориентированную на соединение, которая позволяет комбинировать несколько протоколов на одном физическом интерфейсе и разделять общую скорость и производительность фабрики USB4.

Обновление физического подключения

Для поддержки новых двухполосных высокоскоростных спецификаций и в то же время обеспечения обратной совместимости с устаревшим оборудованием USB 2.0 требуется новый физический интерфейс. Интерфейс USB Type-C (USB-C) не только включает больше соединений для двух наборов дифференциальных каналов данных и шины USB 2.0, работающих параллельно, но также добавляет функции для поддержки спецификации USB Power Delivery (USB PD). Эти функции включают в себя два набора контактов питания и заземления, а также канал связи, по которому подключенные устройства могут согласовывать свои требования к энергопотреблению и возможности источника питания в диапазоне от устаревшего USB 2.0 5V до последней спецификации 20V / 5A. Также включено дополнительное использование боковой полосы (SBU), чтобы в будущем улучшить производительность и новые функции.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 1. Контакты разъема USB-C (Источник:Diodes Inc.)

USB-C упрощает подключение устройств с точки зрения пользователя. Разъем не поляризован, что позволяет вставлять кабель любой стороной вверх; следовательно, разъем USB-C теперь имеет 24 контакта для обслуживания большого количества подключений питания и данных, необходимых для поддержки USB 3.2, USB4 и USB Power Delivery (PD), а также для обеспечения обратной совместимости с USB 2.0, как показано на рисунке 1.

Кроме того, интерфейс является двунаправленным, что позволяет кабелям иметь одинаковые разъемы на каждом конце и позволяет подключенным устройствам действовать как хост или устройство, как потребитель или поставщик энергии.

Внедрение USB-C

Из-за этой дополнительной гибкости и потребности в дополнительных контактах интерфейс USB-C значительно сложнее, чем его предшественники. Подключенные устройства могут быть классифицированы как нисходящий порт (DFP или источник), восходящий порт (UFP или приемник) или двухролевой порт (DRP), способный одновременно передавать и принимать данные и питание. Для управления конфигурацией в каждом случае требуется логика. Также необходимо определить ориентацию кабеля и правильно переключать сигналы, такие как USB 3.2 и DisplayPort, на разъем USB-C. Кроме того, требуется мультиплексирование сигналов USB 2.0, переключение мощности и управление зарядкой, и, конечно же, меры для обеспечения целостности сигнала и защиты от переходных напряжений.

Устройство, такое как ноутбук или планшет, может содержать схему, как показано на рисунке 2, для обеспечения полнофункционального интерфейса USB-C, способного обрабатывать USB 3.2 и мультимедийные данные, а также функциональность USB PD.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 2. Интерфейс USB-C с поддержкой мультимедиа USB 3.2 и USB PD (Источник:Diodes Inc.)

Двунаправленные матричные переключатели, такие как диоды PI3USB31532, показанные на рисунке 2, представляют собой полностью интегрированное решение, способное мультиплексировать USB 3.2 Gen2 (однополосный, 10 Гбит / с SuperSpeed ​​+) и / или до четырех каналов сигналов DisplayPort 1.4, а также вспомогательные каналы через разъем USB-C. Коммутатор имеет низкие вносимые потери и широкую полосу пропускания -3 дБ (8,3 ГГц), что обеспечивает точность передачи сигнала до 10 Гбит / с.

Помимо поддержки вышеупомянутой функции PI5USB31532, можно использовать активный мультиплексор, такой как 6-канальный 4-полосный PI3DPX1205A1. Этот мультиплексор включает функцию ReDriver для проезда на большие расстояния. Такие функции, как линейный эквалайзер на приемной стороне и настройки вывода для равномерного усиления и выравнивания, обеспечивают вдвое большую целостность сигнала по сравнению с сопоставимыми преобразователями CMOS.

Функция USB Power Delivery выполняется через контроллер PD, который позволяет подавать мощность до 100 Вт через разъем USB Type-C, а также включать альтернативные режимы передачи мультимедийных данных, такие как DP или Thunderbolt, через интерфейс USB Type-C.

Такое устройство, как PI5USB2546A, объединяет управление портом зарядки и переключатель питания 2,4 А, а также переключение для линий передачи данных USB 2.0 D + и D. Деталь поддерживает спецификацию USB Battery Charging 1.2, включая режимы выходного порта для зарядки (CDP) и выделенного порта для зарядки (DCP), и может использоваться в адаптерах для настенной зарядки, а также в хост-устройствах и концентраторах.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 3. Использование USB-C в смартфонах (Источник:Diodes Inc.)

На рисунке 3 показана реализация порта USB-C, подходящая для смартфона. В этой схеме используется пример диода PI5USB31213A, который включает в себя функцию контроллера канала конфигурации USB Type-C вместе с функцией мультиплексирования USB 3.2 Gen2 10 Гбит / с, чтобы обеспечить правильные данные для неполяризованного разъема USB Type-C. Устройство выполняет автоматическую настройку режима хоста, режима устройства или порта с двумя ролями на основе уровней напряжения, обнаруженных на контакте CC. Он также обеспечивает определение ориентации разъема, а также согласование зарядного тока через интерфейс USB Type-C. В качестве альтернативы можно использовать такое устройство, как PI3EQX10312. Он содержит все функции, включенные в PI5USB31213A, с единственным изменением, которое заключается в добавлении ReDriver, позволяющего управлять более длинными трассировками.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 4. Док-станция USB-C (Источник:Diodes Inc.)

В качестве последнего примера на рисунке 4 показана универсальная док-станция, которая подключается к восходящему хосту через один порт USB Type-C и предоставляет DisplayPort, HDMI, VGA и несколько выходных портов USB 3.2 для нисходящих устройств, таких как монитор и внешние устройства. место хранения. Он также имеет порт Gigabit Ethernet LAN. В данном случае для управления переключением USB 3.2 и DisplayPort можно использовать такое устройство, как коммутатор PI3USB31532 USB Type-C или активный кросс-панель PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4. Выключатель питания, показанный на схеме, позволяет док-станции подавать питание на главный компьютер через контакты VBUS. Выходной сигнал переключателя DP (например, PI3WVR31310A) поступает либо непосредственно на разъем DP, либо через преобразователь HDMI или VGA на разъемы HDMI и VGA соответственно.

Заключение

Разработчики оборудования должны столкнуться со сложностями порта USB-C, чтобы в полной мере использовать новейшие возможности USB-питания и передачи данных, включая доставку мощности до 100 Вт, скорость передачи данных USB 3.2 и USB4, а также поддержку нескольких протоколов. Доступны различные интегрированные решения для управления переключением данных, переключением питания, управлением зарядкой и определением ориентации кабеля, которые упрощают проектирование и упрощают сертификацию продукции, а также позволяют сэкономить место на плате и расходы на ведомость материалов.