Guia para pinagem e recursos USB-C

Este artigo introdutório examinará alguns dos recursos mais importantes do padrão USB-C.

Você conhece um conector USB Type-C? Este artigo descreve a anatomia da pinagem do USB Type-C e aborda brevemente seus vários modos.

USB Type-C é uma especificação para um sistema de conector USB que está ganhando popularidade em smartphones e dispositivos móveis e é capaz de fornecer energia e transmissão de dados.

Ao contrário de seus predecessores USB, também é invertível - portanto, você não precisa tentar três vezes para conectá-lo.

Uma porta USB Type-C. Imagem cortesia de Denys Vitali

Este artigo introdutório examinará alguns dos recursos mais importantes do padrão USB-C. Antes de mergulhar na pinagem e explicar do que cada um é capaz, vamos rapidamente ter uma visão de alto nível do que é o USB-C e em que ele é melhor.

O que é USB-C?

O USB-C é um padrão relativamente novo que visa fornecer transferência de dados em alta velocidade de até 10 Gb / s junto com capacidade de fluxo de energia de até 100W. Esses recursos podem tornar o USB-C um padrão de conectividade verdadeiramente universal para os dispositivos modernos.

USB-C ou USB Type-C?

Esses dois termos são geralmente intercambiáveis ​​(usaremos ambos ao longo deste artigo). Embora USB-C seja o mais comumente usado, USB Type-C é o nome oficial do padrão listado em USB.org.

Recursos USB-C

A interface USB-C possui três recursos principais:

• Possui um conector que pode ser invertido. A interface é projetada de forma que o plugue possa ser virado em relação ao receptáculo.
• Suporta os padrões USB 2.0, USB 3.0 e USB 3.1 Gen 2. Além disso, ele pode oferecer suporte a protocolos de terceiros, como DisplayPort e HDMI em um modo de operação chamado Modo alternativo.
• Permite que os dispositivos negociem e escolham um nível apropriado de fluxo de energia por meio da interface.

Nas seções a seguir, veremos como esses recursos são fornecidos pelo padrão USB Type-C.

O receptáculo USB tipo C / pinos de plugue

O conector USB Tipo C possui 24 pinos. As Figuras 1 e 2, respectivamente, mostram os pinos para o conector e plugue USB Tipo C.

Figura 1. O receptáculo USB Tipo C. Imagem cortesia da Microchip.

Figura 2. O plugue USB Tipo C. Imagem cortesia da Microchip.

Pares Diferenciais USB 2.0

Os pinos D + e D- são os pares diferenciais usados ​​para a conectividade USB 2.0. Existem dois pinos D + e dois pinos D- no receptáculo.

No entanto, os pinos estão conectados um ao outro e, na verdade, há apenas um par diferencial de dados USB 2.0 disponível para uso. A redundância é incluída apenas para fornecer um conector invertível.

Pinos de força e aterramento

Os pinos VBUS e GND são a alimentação e os caminhos de retorno para os sinais. A tensão VBUS padrão é 5 V, mas o padrão permite que os dispositivos negociem e escolham uma tensão VBUS diferente do valor padrão. O Power Delivery permite que o VBUS tenha uma tensão de até 20 V. A corrente máxima também pode ser elevada até 5 A. Portanto, o USB Type-C pode fornecer uma potência máxima de 100 W.

O alto fluxo de energia pode ser útil ao carregar um dispositivo grande, como um notebook. A Figura 3 mostra um exemplo da RICHTEK onde um conversor buck-boost é usado para gerar a voltagem apropriada solicitada pelo notebook.

Figura 3. Imagem cortesia de Richtek.

Observe que a tecnologia de entrega de energia torna o USB Tipo-C mais versátil do que os padrões mais antigos porque torna o nível de energia adaptável às necessidades da carga. Você pode carregar o smartphone e o notebook usando o mesmo cabo.

Os Pins RX e TX

Existem dois conjuntos de pares diferenciais RX e dois conjuntos de pares diferenciais TX.

Um desses dois pares RX junto com um par TX pode ser usado para o protocolo USB 3.0 / USB 3.1. Como o conector pode ser invertido, um multiplexador é necessário para redirecionar corretamente os dados nos pares diferenciais empregados através do cabo.

Observe que uma porta USB Tipo C pode suportar os padrões USB 3.0 / 3.1, mas o conjunto mínimo de recursos do USB Tipo C não inclui USB 3.0 / 3.1. Nesses casos, os pares RX / TX não são usados ​​pela conectividade USB 3.0 / 3.1 e podem ser usados ​​por outras funcionalidades do USB tipo C, como o modo alternativo e o protocolo USB Power Delivery. Essas funcionalidades podem utilizar até mesmo todos os pares diferenciais RX / TX disponíveis.

Os pinos CC1 e CC2

Esses pinos são os pinos de configuração do canal. Eles executam uma série de funções, como detecção de fixação e remoção de cabos, detecção de orientação de receptáculo / plugue e anúncio atual. Esses pinos também podem ser usados ​​para as comunicações exigidas pelo modo de entrega de energia e alternativo.

A Figura 4 abaixo mostra como os pinos CC1 e CC2 revelam a orientação do receptáculo / plugue. Nesta figura, DFP significa Downstream Facing Port, que é a porta que atua como host na transmissão de dados ou fonte de energia. UFP denota a porta upstream voltada para o dispositivo conectado ao host ou ao consumidor de energia.

Figura 4. Imagem cortesia da Microchip.

O DFP puxa os pinos CC1 e CC2 através dos resistores Rp, mas o UFP os puxa para baixo através de Rd. Se nenhum cabo estiver conectado, a fonte verá uma lógica alta nos pinos CC1 e CC2. A conexão do cabo USB tipo C cria um caminho de corrente da fonte de 5 V ao aterramento. Como há apenas um fio CC dentro do cabo USB tipo C, apenas um caminho de corrente é formado. Por exemplo, no gráfico superior da Figura 4, o pino CC1 do DFP está conectado ao pino CC1 do UFP. Portanto, o pino DFP CC1 terá uma tensão inferior a 5 V, mas o pino DFP CC2 ainda estará na lógica alta. Portanto, monitorando a tensão nos pinos DFP CC1 e CC2, podemos determinar a conexão do cabo e sua orientação.

Além da orientação do cabo, o caminho Rp-Rd é usado como uma forma de comunicar informações sobre as capacidades de corrente da fonte. Para isso, o consumidor de energia (UFP) monitora a tensão na linha CC. Quando a tensão na linha CC tem seu valor mais baixo (cerca de 0,41 V), a fonte pode fornecer a alimentação USB padrão que é 500 mA e 900 mA para o USB 2.0 e USB 3.0, respectivamente. Quando a tensão de linha CC é de cerca de 0,92 V, a fonte pode fornecer uma corrente de 1,5 A. A tensão de linha CC mais alta que é cerca de 1,68 V corresponde à capacidade de corrente da fonte de 3 A.

O PIN VCONN

Como mencionado acima, o USB Type-C tem como objetivo fornecer velocidades de transferência de dados extremamente rápidas, juntamente com altos níveis de fluxo de energia. Esses recursos podem exigir o uso de cabos especiais marcados eletronicamente com o emprego de um chip interno. Além disso, alguns cabos ativos utilizam um chip de re-driver para fortalecer o sinal e compensar as perdas incorridas pelo cabo, etc. Nestes casos, podemos alimentar o circuito dentro do cabo aplicando uma alimentação de 5 V, 1 W alimentação ao pino VCONN. Isso é mostrado na Figura 5.

Figura 5. Imagem cortesia da Microchip.

Como você pode ver, o cabo ativo usa os resistores Ra para puxar para baixo os pinos CC2. O valor de Ra é diferente de Rd, então o DFP ainda é capaz de determinar a orientação do cabo examinando a tensão nos pinos DFP CC1 e CC2. Depois de determinar a orientação do cabo, o pino de configuração do canal correspondente ao “Active Cable IC” será conectado a uma fonte de 5 V, 1 W para alimentar o circuito dentro do cabo. Por exemplo, na Figura 5, o caminho Rp-Rd válido corresponde ao pino CC1. Conseqüentemente, o pino CC2 é conectado à fonte indicada por VCONN.

Os pins SBU1 e SBU2

Esses dois pinos correspondem a caminhos de sinal de baixa velocidade que são usados ​​apenas no modo alternativo.

O fornecimento de energia USB

Agora que estamos familiarizados com a fixação do padrão USB-C, vamos dar uma olhada rápida no USB Power Delivery.

Conforme mencionado acima, os dispositivos que usam o padrão USB Tipo-C podem negociar e escolher um nível apropriado de fluxo de energia por meio da interface. Essas negociações de energia são realizadas por meio de um protocolo denominado USB Power Delivery, que é uma comunicação de fio único pela linha CC discutida acima. A Figura 6 abaixo mostra um exemplo de entrega de energia USB em que o coletor envia solicitações à fonte e ajusta a tensão VBUS conforme necessário. Primeiramente, um barramento de 9 V é solicitado. Depois que a fonte estabiliza a tensão do barramento em 9 V, ela envia uma mensagem “fonte de alimentação pronta” para o dissipador. Em seguida, o coletor solicita um barramento de 5 V e a fonte o fornece e envia uma mensagem “fonte de alimentação pronta” novamente.

Figura 6. Imagem cortesia de Richtek.

É importante observar que o "USB Power Delivery" não se trata apenas de negociações relacionadas ao fornecimento de energia, outras negociações, como aquelas relacionadas ao Modo Alternativo, são feitas usando o protocolo Power Delivery na linha CC do padrão.

Modos alternativos

Este modo de operação nos permite implementar protocolos de terceiros, como DisplayPort e HDMI, usando o padrão USB Tipo-C. Todos os modos alternativos devem suportar pelo menos uma conexão USB 2.0 e USB Power Delivery. Para obter mais informações, consulte este documento de TI.

Conclusão

O USB Type-C possui recursos interessantes. Ele oferece suporte a uma velocidade de transferência de dados extremamente rápida de até 10 Gb / se fluxo de alta potência de até 100 W. Estes, juntamente com um conector giratório, podem tornar o USB Type-C um padrão verdadeiramente universal para os dispositivos modernos.



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