Desafios de implementação da porta USB Type-C e soluções de design

USB de 1.1 a 3.2 e superior

Lançado pela primeira vez em 1996, o barramento serial universal (USB) unificou as funções de vários tipos diferentes de conexões e é onipresente em computação e produtos de tecnologia de consumo. Sua chegada tornou a conexão de vários periféricos, como teclado, mouse, impressora, câmera, drive externo ou outros, a um computador fácil e conveniente. Os periféricos não eram mais definidos por suas interfaces e os usuários não precisavam mais lidar com vários tipos de cabos para conectar os dispositivos que desejavam usar.

USB 1.1 permitia uma taxa de dados máxima de 12Mbps. O USB 2.0 elevou a barra para 480Mbps para lidar com uma ampla gama de funções, incluindo streaming de vídeo e transferência rápida de dados de dispositivos externos para um disco rígido de PC. Fornecendo até 2,5 W a 5 Vcc por meio de VBUS e pinos de aterramento designados, a interface USB também permite que os usuários alimentem pequenos dispositivos, como unidades externas, ou carreguem laptops e telefones celulares sem conexões adicionais de alimentação. Em 2007, a indústria de smartphones exigiu que a interface de carregamento USB para aparelhos permitisse o carregamento de uma tomada USB Tipo A padrão e evitasse o desperdício de eletricidade devido ao descarte de carregadores dedicados.

As tendências de consumo de hoje exigem ainda mais largura de banda de interconexão para sistemas incorporados em produtos inteligentes, como streaming de HD e sistemas de vídeo ultra-HD 4K que precisam transmitir o conteúdo para telas cada vez maiores e trocar dados com unidades de armazenamento multi-gigabit de alta velocidade. Novos padrões como HDMI a 6 Gbps, DisplayPort a 8,1 Gbps e Thunderbolt a 20 Gbps surgiram para lidar com o aumento da demanda.

Para manter a coroa universal do USB, o Fórum do Implementador de USB (USB-IF) apresentou pela primeira vez a especificação USB 3.2, que identifica três taxas de transferência:USB 3.2 Gen1 (5 Gbps), USB 3.2 Gen2 (10 Gbps) e USB 3.2 Gen2x2 (20 Gbps alavancando dual- interface física da via). Eles são comercializados para consumidores como SuperSpeed ​​USB 5 Gbps, SuperSpeed ​​USB 10 Gbps e SuperSpeed ​​USB 20 Gbps.

Mais recentemente, o USB4 foi especificado com suporte para taxas de transferência de 20 Gbps (USB4 20 Gbps) e 40 Gbps (USB4 40 Gbps). Compatível com USB 3.2, USB 2.0 e Thunderbolt 3, o USB4 apresenta mudanças, incluindo uma arquitetura de tunelamento orientada à conexão que permite que vários protocolos sejam combinados na mesma interface física e compartilhem a velocidade geral e o desempenho do fabric USB4.

Atualizando a conexão física

Para suportar as novas especificações de alta velocidade de faixa dupla e, ao mesmo tempo, permitir compatibilidade com versões anteriores de equipamentos USB 2.0 legados, uma nova interface física é necessária. A interface USB Type-C (USB-C) não só incorpora mais conexões para dois conjuntos de canais de dados diferenciais e um barramento USB 2.0 operando em paralelo, mas também adiciona recursos para suportar a especificação USB Power Delivery (USB PD). Esses recursos incluem dois conjuntos de pinos de alimentação e aterramento e um canal de comunicação através do qual os dispositivos conectados podem negociar suas demandas de consumo de energia e recursos de fonte de alimentação que vão desde o legado USB 2.0 5 V até a especificação mais recente de 20 V / 5 A. O uso de banda lateral adicional (SBU) também está incluído para permitir melhorias de desempenho futuras e novos recursos.

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Figura 1. Pinos do conector USB-C (Fonte:Diodes Inc.)

USB-C simplifica a conexão de dispositivos do ponto de vista do usuário. O conector é não polarizado, permitindo que o cabo seja inserido de qualquer maneira; portanto, o conector USB-C agora tem 24 pinos para atender ao grande número de conexões de alimentação e dados necessárias para suportar USB 3.2, USB4 e USB Power Delivery (PD), e para permitir compatibilidade com versões anteriores de USB 2.0, conforme mostrado na Figura 1.

Além disso, a interface é bidirecional, permitindo que os cabos tenham o mesmo conector em cada extremidade e permitindo que os dispositivos conectados atuem como host ou dispositivo ou como consumidor ou fornecedor de energia.

Implementando USB-C

Com essa flexibilidade extra e demanda por pinos adicionais, a interface USB-C é consideravelmente mais complexa do que suas predecessoras. Os dispositivos conectados podem ser classificados como porta voltada para downstream (DFP ou fonte), porta voltada para upstream (UFP ou Sink) ou porta de função dupla (DRP) capaz de fornecer e receber dados e energia. A lógica é necessária para lidar com o controle de configuração em cada caso. Também é necessário detectar a orientação do plug-in do cabo e alternar corretamente os sinais, como USB 3.2 e DisplayPort para o conector USB-C. Além disso, a multiplexação de sinais USB 2.0, comutação de energia e controle de carga e, claro, provisões para integridade de sinal e proteção contra voltagem transiente são necessárias.

Um dispositivo, como um notebook ou tablet, pode conter circuitos, conforme mostrado na Figura 2, para fornecer uma interface USB-C totalmente funcional, capaz de lidar com dados USB 3.2 e multimídia, bem como a funcionalidade USB PD.

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Figura 2. Interface USB-C com suporte para USB 3.2 Multimídia e USB PD (Fonte:Diodes Inc.)

Comutadores de matriz bidirecional, como os Diodos PI3USB31532, mostrados na Figura 2, oferecem uma solução totalmente integrada capaz de multiplexar USB 3.2 Gen2 (pista única, SuperSpeed ​​+ de 10 Gbps) e / ou até quatro canais de sinais DisplayPort 1.4, bem como canais auxiliares por meio o conector USB-C. O switch foi projetado com baixa perda de inserção e uma ampla largura de banda de -3dB de 8,3 GHz para garantir a fidelidade do sinal de até 10 Gbps.

Além de oferecer suporte à função PI5USB31532 acima, um mux ativo, como o PI3DPX1205A1 de 4 vias e 6 canais, pode ser usado. Este mux incorpora uma função ReDriver para percorrer distâncias mais longas. Os recursos, incluindo equalização linear do lado do recebimento e configurações de saída para ganho plano e equalização, garantem o dobro da integridade do sinal de ReDrivers CMOS comparáveis.

A função USB Power Delivery é realizada através do controlador PD, que permite o fornecimento de energia de até 100W através do conector USB Type-C, bem como possibilita modos alternativos de dados multimídia, como DP ou Thunderbolt, através da interface USB Type-C.

Um dispositivo como o PI5USB2546A integra o controle da porta de carregamento e um interruptor de energia 2.4A, bem como a comutação para linhas de dados D + e D USB 2.0. A parte suporta a especificação USB Battery Charging 1.2, incluindo modos de porta downstream de carregamento (CDP) e porta de carregamento dedicada (DCP) e pode ser usada em adaptadores de carregamento de parede, bem como dispositivos host e hub.

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Figura 3. Implementando USB-C em Smartphones (Fonte:Diodes Inc.)

A Figura 3 mostra uma implementação de porta USB-C adequada para um smartphone. Este circuito usa o exemplo de um Diodos PI5USB31213A, que incorpora a função de controlador de canal de configuração USB Tipo-C junto com a função de multiplexação USB 3.2 Gen2 10Gbps para habilitar os dados apropriados para o conector USB Tipo-C não polarizado. O dispositivo controla a configuração automática do modo host, modo do dispositivo ou porta de função dupla com base nos níveis de tensão detectados no pino CC. Ele também fornece detecção de orientação de conector, bem como negociação da corrente de carga por meio da interface USB Type-C. Como alternativa, um dispositivo como o PI3EQX10312 pode ser usado. Ele contém todas as funções incluídas em PI5USB31213A com a única alteração sendo a inclusão de um ReDriver para permitir a condução de distâncias de rastreamento mais longas.

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Figura 4. Dock USB-C (Fonte:Diodes Inc.)

Como um exemplo final, a Figura 4 ilustra uma docking station universal que se conecta a um host upstream por meio de uma única porta USB Tipo C e fornece DisplayPort, HDMI, VGA e várias portas de saída USB 3.2 para dispositivos downstream, como um monitor e externo armazenar. Ele também fornece uma porta LAN Gigabit Ethernet. Aqui, um dispositivo como o switch de barra transversal PI3USB31532 USB Tipo C ou a barra transversal ativa PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 pode ser usado para lidar com a comutação USB 3.2 e DisplayPort. O botão liga / desliga mostrado no diagrama permite que o encaixe forneça energia ao computador host por meio dos pinos VBUS. A saída do switch DP (por exemplo PI3WVR31310A) vai diretamente para o conector DP ou através do conversor HDMI ou VGA para conectores HDMI e VGA, respectivamente.

Conclusão

Os projetistas de equipamentos devem enfrentar as complexidades da porta USB-C para aproveitar ao máximo as vantagens dos recursos de dados e energia USB mais recentes, incluindo fornecimento de energia de até 100 W, taxas de dados USB 3.2 e USB4 e suporte a vários protocolos. Uma variedade de soluções integradas estão disponíveis para lidar com comutação de dados, comutação de energia, controle de carga e detecção de orientação de cabo, o que simplifica o design e facilita a certificação do produto, além de economizar espaço na placa e custos de lista de materiais.