Figura 1: Numeroasele tipuri de conectori USB le-au făcut probleme dezvoltatorilor și utilizatorilor încă de la USB 1.1. Conectorul cel mai cunoscut pentru utilizatorii de computere este USB Tip-A, utilizat pentru USB 1.1, 2.0, 3.0, și 3.1. — (Sursă imagine: Wikipedia)
Noțiuni asupra USB-C
Standardul original USB 1.1 specifică un curent maxim de 500mA @ 5V (2.5W), iar USB 2.0 permite același maxim. Lucrurile s-au schimbat odată cu specificațiile USB 3.1 care permit un curent maxim de 900mA. Toate acestea utilizează familiarul conector dreptunghiular USB. Totuși, deoarece USB a devenit omniprezent, aplicațiile sale și solicitările au crescut în termeni de compatibilitate de conectori și capabilitate de furnizare de energie.
Figura 2: Conectorul tip priză USB-C cu 24 de pini este nepolarizat și reversibil, permițând conectarea cu ușurință, indiferent de modul de inserare. — (Sursă imagine: STMicroelectronics)
Aceste cerințe au condus la dezvoltarea standardului USB Tip-C™. USB-C nu este o specificație de furnizare de date, ci un nou standard pentru un conector USB miniatural. În istoria sa, USB a avut de suferit de pe urma compatibilității conectorului. Introducerea conectorului dreptunghiular USB Tip-A a fost întotdeauna supusă Legii lui Murphy: indiferent ce s-ar întâmpla, atunci când utilizatorul introduce conectorul polarizat, o face pe dos (Figura 1). Chiar și atunci când orientarea este corectă, conectorul poate să nu se așeze corect, astfel încât să trebuiască să fie scos, inserta din nou, și din nou, și din nou.
Datorită dimensiunii mari a conectorului polarizat Tip-A, a fost nevoie de a se dezvolta tipuri de conectori polarizați mai mici, precum micro și mini, pentru o mai ușoară integrare în dispozitivele mici de larg consum. Chiar și acestea, însă, au aceleași probleme de orientare pentru dezvoltatori și utilizatori, precum Tip-A.
Noul conector USB-C (dreapta jos în Figura 1) este doar puțin mai mare față de conectorul USB micro-B ce poate fi identificat pe telefoanele inteligente Android și pe dispozitivele Internetului Lucrurilor (IoT). El înlocuiește atât conectorul de pe computer (Gazdă), cât și conectorul de pe dispozitiv, rezultând înlocuirea tipurilor multiple de cablu cu un singur tip. De asemenea, conectorul USB-C nu are cheie și orientare preferată, permițând o conexiune solidă indiferent de cum este inserat conectorul.
Semnificația pinilor și nivelele de putere pentru conectorul USB-C
Conectorul USB-C suportă atât USB 2.0, cât și USB 3.1. Atunci când este utilizat pentru USB 3.1, standardul necesită compatibilitatea și cu USB 2.0, iar aceasta este utilizarea recomandată pentru noile proiecte.
Totuși, pentru proiecte cu viteze mici de transfer a datelor, conectorul poate fi utilizat numai pentru USB 2.0.
Privind la semnificația pinilor conectorului priză USB-C, cei patru pini de masă (GND) sunt aranjați în partea din exterior a conectorului (Figura 2). Aceasta ajută la imunitatea la zgomot, și permite, de asemenea, o conectare simplă la împământarea metalică a conectorului. Pinii de date bidirecționali standard USB 2.0, D+ și D- sunt duplicați în centru și obligatorii pentru toate aplicațiile de transmisie de date USB-C. USB 3.1 a separat căile de transmisie și recepție de date de mare viteză, cu pinii de recepție RX1+ și RX1- dublați de RX2+ și RX2-. Căile de transmisie sunt în mod similar TX1+ și TX1- și duplicat de TX2+ și TX2-.
Conectorul USB-C standard suportă, de asemenea, transmisie video, inclusiv DisplayPort și HDMI. Standardul numește acest lucru Mod Alternativ și nu va fi prezentat în acest articol.
Ceea ce este important în acest context este faptul că standardul de conector USB-C specifică un maxim de curent furnizat de până la 3A la 5V pentru o putere de până la 15W. Ducând acest lucru mai departe către standardul de furnizare de putere USB Power Delivery Standard v2.0, care specifică faptul că USB-C suportă USB 3.1, se pot furniza până la 100W (20V la 5A). Această putere este furnizată la nivelul celor patru pini VBUS. Astfel, USB devine, de la o sursă auxiliară de energie, o sursă primară de energie.
Figura 3: Conectorul USB-C Amphenol FCI 10137062-00021LF este un conector în unghi drept, cu montare în partea superioară, ce poate fi montat prin tehnologie THT sau SMT. — (Sursă imagine: Amphenol FCI)
Implementarea conectorului USB-C poate fi delicată
Suportând până la 100W în cadrul unui proiect, este necesară o atentă abordare a realizării straturilor pentru a oferi siguranță utilizatorului, dar și dezvoltatorului. Majoritatea proiectelor nu vor avea nevoie de așa de multă putere; de exemplu, un încărcător de telefon inteligent de curent foarte ridicat poate avea nevoie de până la 3A. Totuși, un punct comun pentru majoritatea conectorilor comerciali USB-C este de 5A între pinii VBUS și GND. Acesta este suportat de conectorul USB-C în unghi drept USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1 de la Amphenol FCI (Figura 3).
Acest conector priză USB-C suportă un curent maxim de 5A, astfel încât pentru a furniza 100W necesită 20VDC. Pentru majoritatea proiectelor, totuși, 25W (5V și 5A) este suficient și sigur. Acest conector USB-C suportă viteze de transfer de date USB 3.1 Gen 1 de 5 Gbiți/s), iar tensiunea nominală maximă este de 100VDC sau AC, ceea ce înseamnă maxim 1A, conform specificației de putere maximă de 100W.
Conectorul descris suportă montare pe suprafață sau asamblare prin găuri (THT) pe partea superioară a plăcii PCB.
Carcasa din oțel inoxidabil este mult mai rezistentă decât aluminiul și este conectată electric la pinii de masă (GND).
Carcasei îi trebuie să i se asigure împământare utilizând patru terminale înguste, câte două pe fiecare parte a conectorului. Trebuie să vă asigurați de lipirea acestor terminale utilizând o cantitate generoasă de aliaj de lipire pentru a asigura o conexiune sigură.
Rutarea semnalelor în conectorul USB-C
Semnalele diferențiale de mare viteză USB 3.1 trebuie să fie atent gândite astfel încât traseele să fie adiacente și să aibă exact aceeași lungime.
Traseele pentru semnalele diferențiale trebuie păstrate cât mai scurte posibil pentru a minimiza EMI. Pentru cea mai bună imunitate la zgomot, semnalele diferențiale trebuie plasate pe cel mai interior strat al plăcii PCB. Dacă traseul trebuie să fie pe un strat exterior al plăcii PCB, atunci semnalele trebuie izolate față de alte linii de date prin înconjurarea perechii de trasee diferențiale cu trasee de masă. De asemenea, semnalele diferențiale trebuie trasate peste un plan solid de masă pentru a minimiza EMI.
Plăcuța PCB trebuie proiectată astfel încât impedanța traseului diferențial să fie 90 ohmi ±10% cu scopul de a se potrivi cu impedanța diferențială a cablului USB. Suplimentar, fiecare traseu trebuie realizat astfel încât impedanța single-end a fiecărei perechi să fie aceeași. Ca regulă practică, în această situație, impedanța unei perechi diferențiale este de două ori impedanța uneia single. Prin urmare, traseul trebuie realizat de așa natură încât impedanța single-end să aibă valoarea de 45 ohmi ±10%.
Trasarea în siguranță a semnalelor de putere USB-C
Trasarea semnalelor de putere este mai critică. O sursă sigură de 5A trebuie gândită cu atenție pentru a preveni scurtcircuite accidentale la carcasa proiectului sau la utilizator.
Cei 5A pot fi trasați pe stratul superior sau inferior al plăcii PCB, dar nu trebuie să fie prea aproape de marginea plăcii PCB. Acest lucru va preveni conectarea accidentală la carcasă cauzată de un șoc sau de deteriorarea carcasei.
Pentru a asigura o sursă sigură de 5A pe o placă PCB pe cupru cu o grosime dată de 2 uncii pe picior pătrat (* aproximativ 610 grame/m2) este nevoie de un traseu cu lățimea de 44.6 mils (* aproximativ 1.2 mm). O metodă mai sigură este de a izola curentul față de orice influență externă prin trasarea celor 5A printr-un strat interior al plăcii PCB, ceea ce ar necesita o lățime de traseu de 116 mils (* aproximativ 3 mm) cu aceeași densitate de cupru (calcule bazate pe profilul IPC-2221). Trebuie trasat cât de mult cupru este posibil lângă pinii VBUS ai conectorului pentru a preveni pierderile de curent.
Figura 4: Acest conector USB-C cu montare verticală de la Amphenol FCI are o amprentă mică pe placa PCB și poate fi utilizată pentru a economisi spațiu de placă. — (Sursă imagine: Amphenol FCI)
Conectori USB-C montați vertical
Dacă spațiul de pe placa PCB este de mare importanță, conectorul priză USB-C poate fi montat vertical. Pentru aceasta, Amphenol FCI dispune de conectorul USB-C cu montare verticală USB 3.1 10132328-10011LF.
Acest conector vertical suportă standardul de date USB 3.1 Gen 2 de 10 Gbiți/s. El suportă, de asemenea, o livrare de putere de 100W cu tensiune nominală maximă de 100VDC sau AC, și abilitatea de a oferi până la 5A. Conectorul are aceeași construcție din oțel inoxidabil precum conectorul în unghi drept.
Precum conectorul în unghi drept, trebuie să vă asigurați că cele 4 terminale de pe carcasă sunt conectate sigur la masă prin găuri la placa PCB cu o cantitate generoasă de aliaj de lipire.
Spre deosebire de conectorul în unghi drept, se poate monta pe suprafață doar pe partea mică a conectorului, iar astfel contactele de putere VBUS sunt apropiate de contactele de semnal. Trasarea cu atenție a contactelor de putere departe de contactele de semnal este obligatorie. Având în vedere spațiul înghesuit, cea mai sigură metodă este de a plasa perechea de date și contactele de putere VBUS pe diferite straturi ale plăcii PCB.
Figura 5: În acest circuit, STUSB1700 asigură o sursă de 3A și poate opera independent. Dacă este gestionat de un microcontroler opțional cu o interfață I2C, trebuie adăugate rezistențele ridicătoare, de la R3 până la R10. — (Sursă imagine: STMicroelectronics)
Atunci când se livrează putere prin conectorii de mai sus, există un scurt protocol de confirmare între gazda USB și dispozitiv, prin care se decide câtă putere să fie oferită. Sunt circuite integrate care gestionează conexiunea USB, făcând procesul transparent pentru dezvoltator.
Un bun exemplu este controlerul sursă USB-C STUSB1700 de la STMicroelectronics. Acesta gestionează în siguranță conexiuni USB-C de 5V între gazdă și dispozitiv. Atunci când livrează putere, STUSB1700 poate detecta și proteja împotriva scurtcircuitelor, variaților de curent peste limita programată, încălzirii peste 145°C, condițiilor de subtensiune și supratensiune, precum și condițiilor de inversare de curent și inversare de tensiune. Acest lucru simplifică partea de siguranță a proiectului sistemului USB-C, reducând complexitatea pentru dezvoltator.
STUSB1700 este utilizat pentru conectorii USB-C și poate conecta o nouă conexiune între gazdă și un dispozitiv. El poate determina necesarul de putere al dispozitivului și poate furniza curentul necesar. El determină, de asemenea, dacă dispozitivul este un accesoriu audio digital, astfel încât poate susține un semnal către microcontroler pentru a alimenta audio digital prin portul USB-C. Controlerul poate negocia cu dispozitivul USB pentru a decide dacă necesarul de putere va fi cel implicit USB (până la 900mA), mediu USB (până la 1.5A) sau curent ridicat USB (până la 3A).
Concluzie
Noul standard USB-C simplifică furnizarea sigură de putere de până la 100W pentru dispozitivele proiectate adecvat. Cu toate telefoanele inteligente, camerele digitale, computerele, și accesoriile electronice standardizate pe un conector ușor de utilizat, dezvoltatorii nu trebuie să se îngrijoreze despre ce dimensiune și tip de conector să utilizeze, lucru valabil și pentru proiecte viitoare.
Autor: Bill Giovino – Grupul de editori Nord Americani ai Digi-Key
Digi-Key Electronics | www.digikey.com
