Распиновка и функции USB-C

USB Type-C — это спецификация системы USB-разъемов, которая завоевывает популярность среди смартфонов и мобильных устройств и способна как питать устройства, так и передавать данные.

В отличие от своих предшественников USB, он легко подключается, и вам не нужно пытаться подключить его 2-3 раза.

В этой вводной статье будут рассмотрены некоторые из наиболее важных функций стандарта USB-C. Прежде чем погрузиться в распиновку и объяснить, на что способен каждый, мы быстро рассмотрим, что такое USB-C и в чем он лучше своих предшественников.

Что такое USB-C?

USB-C является относительно новым стандартом, целью которого является обеспечение высокоскоростной передачи данных со скоростью до 10 Гбит/с и пропускной способности до 100 Вт. Эти функции могут сделать USB-C действительно 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 .

Функциональные особенности

Интерфейс USB-C имеет 3 основные функции:

1. интерфейс спроектирован таким образом, что вилка может быть перевернута относительно розетки в любом положении.
2. поддерживает стандарты USB 2.0, USB 3.0 и USB 3.1 Gen 2. Кроме того, он может поддерживать сторонние протоколы, такие как DisplayPort и HDMI, в альтернативном режиме.
3. это позволяет устройствам согласовывать и выбирать соответствующий уровень мощности через интерфейс.

Давайте посмотрим как эти функции обеспечиваются стандартом USB Type-C.

Разъем USB Type-C

Разъем USB Type-C имеет 24 контакта. На рисунках 1 и 2 показаны контакты для гнезда и разъема USB Type-C.

Разъем USB Type-C

USB 2.0 дифференциальные пары

Контакты D + и D- являются дифференциальными парами, используемыми 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 данных USB 2.0.

Контакты питания и заземления

Контакты VBUS и GND являются питанием и обратными путями для сигналов. Напряжение VBUS по умолчанию составляет 5 В, но стандарт позволяет устройствам согласовывать и выбирать напряжение VBUS, отличное от значения по умолчанию. Блок питания позволяет по VBUS передавать вплоть до 20 В. Максимальный ток также может быть увеличен до 5 А. Следовательно, USB Type-C может выдавать максимальную мощность 100 Вт.

Такая высокая мощность может быть полезна при зарядке большого устройства, такого как ноутбук. На рисунке 3 показан пример от RICHTEK, где используется повышающий преобразователь для создания соответствующего напряжения, запрошенного ноутбуком.

Обратите внимание, что технология подачи питания делает USB Type-C более универсальным, чем старые стандарты, потому что уровень мощности адаптируется согласно потребностям нагрузки. то есть одним кабелем вы можете заряжать как свой смартфон, так и ноутбук.

Контакты RX и TX

Существует 2 набора дифференциальных пар RX и TX.

Одна из этих 2-х пар RX вместе с парой TX может использоваться для протокола USB 3.0 / USB 3.1. Поскольку разъем является перекидным, мультиплексор необходим для правильного перенаправления данных 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 соединением USB 3.0 / 3.1 и могут использоваться другими функциями USB Type-C, такими как альтернативный режим и протокол USB Power Delivery. Эти функциональные возможности 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 присоединения и извлечения кабеля, определение ориентации розетки / штекера. Эти контакты могут также использоваться для связи, необходимой для подачи питания и альтернативного режима.

На рисунке ниже показано, как выводы CC1 и CC2 показывают ориентацию розетки / штекера. На этом рисунке DFP обозначает нисходящий выходной порт, который является портом, действующим либо в качестве хоста при передаче данных, либо в качестве источника питания. UFP обозначает восходящий выходной порт, который является устройством, подключенным к хосту или потребителю энергии.

DFP вытягивает контакты CC1 и CC2 через резисторы Rp, но UFP вытягивает их через Rd. Если кабель не подключен, источник видит высокий логический уровень на выводах CC1 и CC2. При подключении кабеля USB Type-C создается токовый путь от источника питания 5 В до земли. Поскольку внутри кабеля USB Type-C имеется только один провод CC, формируется только один путь тока. Например, на верхнем рисунке рисунка 4 вывод CC1 DFP подключен к выводу CC1 UFP. Следовательно, вывод DFP CC1 будет иметь напряжение ниже 5 В, но вывод DFP CC2 будет по-прежнему иметь высокий логический уровень. Поэтому, отслеживая напряжение на выводах DFP CC1 и CC2, мы можем определить подключение кабеля и его ориентацию.

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

Контакт VCONN

Как упоминалось выше, USB Type-C призван обеспечить невероятно высокую скорость передачи данных наряду с высокими уровнями передачи питания. Эти функции могут потребовать использования специальных кабелей с электронной маркировкой при использовании микросхемы внутри. Кроме того, некоторые активные кабели используют микросхему повторного драйвера для усиления сигнала и компенсации потерь, понесенных кабелем, и т. Д. В этих случаях мы можем питать электрическую схему внутри кабеля, применяя мощность 5 В, 1 Вт. питание к выводу VCONN.

Как вы видите, активный кабель использует резисторы Ra, чтобы опустить штыри CC2. Значение Ra отличается от Rd, поэтому DFP по-прежнему может определять ориентацию кабеля, проверяя напряжение на выводах DFP CC1 и CC2. После определения ориентации кабеля вывод конфигурации канала, соответствующий «активной кабельной ИС», будет подключен к источнику питания 5 В, 1 Вт для питания схемы внутри кабеля. Например, на рисунке действительный путь Rp-Rd соответствует выводу CC1. Следовательно, вывод CC2 подключен к источнику питания, обозначенному VCONN.

Контакты SBU1 и SBU2

Эти 2 контакта соответствуют низкоскоростным трактам сигналов, которые используются только в альтернативном режиме.

USB Power Delivery

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

Как упомянуто 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 ниже показан пример USB Power Delivery, где приемник отправляет запросы источнику и регулирует напряжение VBUS по мере необходимости. Сначала запрашивается 9-вольтовая шина. После того, как источник стабилизирует напряжение шины на уровне 9 В, он отправляет сообщение «готов к питанию» в приемник. Затем приемник запрашивает шину 5 В, а источник предоставляет ее и снова отправляет сообщение «готов к питанию».

USB Power Delivery

Важно отметить, что «USB Power Delivery» — это не только переговоры, связанные с питанием, но и другие, например, связанные с альтернативным режимом, выполняются с использованием протокола Power Delivery на линии CC стандарта.

Альтернативные режимы

Этот режим работы позволяет реализовывать сторонние протоколы, такие как DisplayPort и HDMI, используя стандарт USB Type-C. Все альтернативные режимы должны как минимум поддерживать соединение USB 2.0 и USB Power Delivery.

Разъём USB Type-C может работать и в альтернативных режимах, когда его контакты используются для передачи данных по другим протоколам:

1. DisplayPort — опубликован VESA в сентябре 2014 года, поддерживает стандарт DisplayPort 1.3.
2. Mobile High-Definition Link (MHL) — анонсирован в ноябре 2014 года, поддерживает стандарт MHL 1.0-3.0 и superMHL.
3. Thunderbolt — поддержка стандарта Thunderbolt 3.
4. HDMI — объявлен в сентябре 2016 года, поддерживает HDMI 1.4b.

Для реализации альтернативных режимов DisplayPort и HDMI используется кабель-переходник на вилку своего физического интерфейса. Для режимов MHL и Thunderbolt (20 Gbps) используется стандартный Type-C кабель; высокоскоростной режим Thunderbolt 3 (40 Gbps), как и высокомощные режимы USB Power Delivery 2.0, требует специальных кабелей, маркированных электронным чипом как совместимые.

Для работы съёмных кабелей в альтернативном режиме могут использоваться четыре высокоскоростные (SuperSpeed) пары и два контакта Sideband. В случае док-станций, съёмных устройств и несъёмных (постоянных) кабелей, можно также использовать два контакта D+/D- и один конфигурационный контакт. Режимы настраиваются через конфигурационный контакт с использованием сообщений, определяемых вендором (VDM).

Не все альтернативные режимы реализуются в каждом устройстве с разъёмом USB Type-C; поддерживаемые альтернативные режимы обозначаются соответствующими логотипами рядом с разъёмом.

Изучаются возможности использования этого коннектора другими последовательными высокоскоростными протоколами, например PCI Express и Base-T Ethernet.

Заключение

USB Type-C имеет интересные особенности. Он поддерживает невероятно быструю скорость передачи данных до 10 Гбит/с и высокую мощность до 100 Вт. Благодаря этому, а также двухстороннему разъему, USB Type-C может стать действительно универсальным стандартом для современных устройств.