Guida a Pinout e caratteristiche USB-C

Guida a Pinout e caratteristiche USB-C

USB Type-C è una specifica per un sistema di connettori USB che sta guadagnando popolarità tra smartphone e dispositivi mobili ed è in grado sia di erogazione di potenza che di trasmissione dati.

A differenza dei suoi predecessori USB, è anche flippable, quindi non è necessario provare tre volte per collegarlo.

Questo articolo introduttivo esaminerà alcune delle funzionalità più importanti dello standard USB-C.

Cos’è USB-C?

L’USB-C è uno standard relativamente nuovo che mira a fornire un trasferimento dati ad alta velocità fino a 10 Gb / s con capacità di flusso di potenza fino a 100 W. Queste caratteristiche possono rendere USB-C uno standard di connettività veramente universale per i dispositivi moderni.

USB-C o USB Type-C?

Questi due termini sono generalmente intercambiabili (utilizzo entrambi in questo articolo). Sebbene USB-C sia più comunemente usato, USB Type-C è il nome ufficiale dello standard elencato su USB.org.

Funzionalità USB-C

L’interfaccia USB-C ha tre caratteristiche principali:

• Ha un connettore girevole. L’interfaccia è progettata in modo che la spina possa essere ruotata rispetto alla presa.
• Supporta gli standard USB 2.0, USB 3.0 e USB 3.1 Gen 2. Inoltre, può supportare protocolli di terze parti come DisplayPort e HDMI in una modalità operativa denominata Modalità alternativa.
• Consente ai dispositivi di negoziare e scegliere un livello appropriato di flusso di corrente attraverso l’interfaccia.

Nelle sezioni seguenti vedremo come queste funzionalità sono fornite dallo standard USB Type-C.

Presa / spinotto USB Type-C

Figura 1. La presa USB Type-C.

Figura 2. La spina USB Type-C.

Coppie differenziali USB 2.0

I pin D + e D- sono le coppie differenziali utilizzate per la connettività USB 2.0. Ci sono due pin D + e due pin D nella presa.

Tuttavia, i pin sono collegati tra loro e c’è in realtà solo una coppia di dati differenziale USB 2.0 disponibile per l’uso. La ridondanza è solo per avere un connettore girevole.

Pin di massa e di potenza

I pin VBUS e GND trasportano la potenza e i percorsi di ritorno per i segnali. La tensione VBUS predefinita è 5 V, ma lo standard consente ai dispositivi di negoziare e scegliere una tensione VBUS diversa dal valore predefinito. Il Power Delivery consente a VBUS di avere una tensione fino a 20 V. Anche la corrente massima può essere aumentata fino a 5 A. Quindi, l’USB Type-C potrebbe erogare una potenza massima di 100 W.

Il flusso ad alta potenza potrebbe essere utile quando si carica un dispositivo di grandi dimensioni come un computer portatile. La Figura 3 mostra un esempio di RICHTEK in cui viene utilizzato un convertitore buck-boost per generare la tensione appropriata richiesta dal computer notebook.

Figura 3.

Si noti che la tecnologia di erogazione della potenza rende USB Type-C più versatile rispetto agli standard precedenti perché rende il livello di potenza adattabile alle esigenze del carico. È possibile caricare entrambi smartphone e notebook utilizzando lo stesso cavo.

I pin RX e TX

Vi sono due serie di coppie differenziali RX e due coppie di coppie differenziali TX.

Una di queste due coppie RX insieme a una coppia TX potrebbe essere utilizzata per il protocollo USB 3.0 / USB 3.1. Poiché il connettore è flippabile, è necessario un multiplexer per reindirizzare correttamente i dati sulle coppie differenziali utilizzate attraverso il cavo.

I pin CC1 e CC2

Questi pin sono i pin di configurazione del canale. Eseguono una serie di funzioni come il collegamento del cavo e il rilevamento della rimozione. Questi pin potrebbero essere utilizzati anche per le comunicazioni richieste dalla consegna dell’alimentazione e dalla modalità alternativa.

La Figura 4 di seguito mostra come i pin CC1 e CC2 rivelano l’orientamento della presa / spina. In questa figura, DFP è l’acronimo di Downing Facing Port, la porta che funge da host nella trasmissione dei dati o dalla fonte di alimentazione. UFP indica Porta a monte che è il dispositivo connesso all’host o al consumatore di energia.

Figura 4.

Il DFP tira su i pin CC1 e CC2 attraverso i resistori Rp ma l’UFP li trascina verso il basso attraverso Rd. Se non è collegato alcun cavo, la sorgente vede un alto logico ai pin CC1 e CC2. Il collegamento del cavo USB Type-C crea un percorso di corrente dall’alimentazione a 5 V a terra. Poiché all’interno del cavo USB Type-C è presente un solo cavo CC, viene formato un solo percorso di corrente. Ad esempio, nel grafico superiore della Figura 4, il pin CC1 del DFP è collegato al pin CC1 dell’UFP. Quindi, il pin di DFP CC1 avrà una tensione inferiore a 5 V ma il pin di DFP CC2 sarà ancora al massimo logico. Pertanto, monitorando la tensione sui pin di DFP CC1 e CC2, possiamo determinare l’attacco del cavo e il suo orientamento.

Oltre all’orientamento del cavo, il percorso Rp-Rd viene utilizzato come un modo per comunicare informazioni sulle capacità della sorgente di corrente. A tal fine, il consumatore di energia (UFP) monitora la tensione sulla linea CC. Quando la tensione sulla linea CC ha il valore più basso (circa 0,41 V), la sorgente può fornire l’alimentazione USB predefinita che è rispettivamente di 500 mA e 900 mA per USB 2.0 e USB 3.0. Quando la tensione di linea CC è di circa 0,92 V, la sorgente può fornire una corrente di 1,5 A. La tensione di linea CC più alta che è di circa 1,68 V corrisponde alla capacità di corrente di fonte di 3 A.

Il pin VCONN

Come accennato in precedenza, l’USB Type-C mira a fornire velocità di trasferimento dei dati veloci e alti livelli di flusso di potenza. Queste caratteristiche potrebbero richiedere l’uso di cavi speciali che sono contrassegnati elettronicamente utilizzando un chip all’interno. Inoltre, alcuni cavi attivi utilizzano un chip di re-driver per rafforzare il segnale e compensare le perdite subite dal cavo, ecc. In questi casi, possiamo alimentare i circuiti all’interno del cavo applicando una tensione diretta di 5V, per fornire potenza al pin VCONN. Questo è mostrato in Figura 5.

Figura 5

Come puoi vedere, il cavo attivo utilizza i resistori Ra per abbassare i pin CC2. Il valore di Ra è diverso da Rd, quindi DFP è ancora in grado di determinare l’orientamento del cavo esaminando la tensione sui pin di DFP CC1 e CC2. Dopo aver determinato l’orientamento del cavo, il pin di configurazione del canale corrispondente a “Active Cable IC” sarà collegato a un’alimentazione 5-V per alimentare i circuiti all’interno del cavo. Ad esempio, nella Figura 5, il percorso Rp-Rd valido corrisponde al pin CC1. Quindi, il pin CC2 è collegato all’alimentazione indicata da VCONN.

I pin SBU1 e SBU2

Questi due pin corrispondono ai percorsi del segnale a bassa velocità che vengono utilizzati solo in modalità alternativa.

La consegna dell’alimentazione USB

Ora che abbiamo familiarità con il pinning dello standard USB-C, diamo un’occhiata al Power Delivery USB.

Come accennato in precedenza, i dispositivi che utilizzano lo standard USB Type-C possono negoziare e scegliere un livello appropriato di flusso di corrente attraverso l’interfaccia. Queste negoziazioni di potenza sono attuate attraverso un protocollo chiamato USB Power Delivery che è una comunicazione a filo singolo sulla linea CC discussa sopra. La Figura 6 di seguito mostra un esempio di fornitura dell’alimentazione USB in cui il sink invia richieste alla sorgente e regola la tensione VBUS secondo necessità. All’inizio è richiesto un bus 9-V. Dopo che la sorgente ha stabilizzato la tensione del bus a 9 V, invia un messaggio “pronto per l’alimentazione” al ricevente. Quindi, questo richiede un bus 5-V e la fonte lo fornisce e invia di nuovo un messaggio “pronto per l’alimentazione”.

Figura 6.

È importante notare che “USB Power Delivery” non riguarda solo le negoziazioni relative alla fornitura di energia, altre negoziazioni, come quelle relative alla Modalità alternativa, vengono eseguite utilizzando il protocollo Power Delivery sulla linea CC.

Modalità alternative

Questa modalità di funzionamento ci consente di implementare protocolli di terze parti, come DisplayPort e HDMI, utilizzando lo standard USB Type-C. Tutte le modalità alternative devono supportare almeno una connessione USB 2.0 e USB Power Delivery. Per ulteriori informazioni, fare riferimento a questo documento TI .

Conclusione

USB Type-C ha caratteristiche interessanti. Supporta una velocità di trasferimento dei dati veloce e brillante fino a 10 Gb / se un flusso di potenza elevata fino a 100 W. Questi connettori assai piccoli possono rendere USB Type-C uno standard veramente universale per i dispositivi moderni.