Gids voor USB-C pin-out en functies

Dit inleidende artikel gaat in op enkele van de belangrijkste kenmerken van de USB-C-standaard.

Kent u de weg in een USB Type-C-connector? Dit artikel legt de anatomie van de USB Type-C-pinout uit en gaat kort in op de verschillende modi.

USB Type-C is een specificatie voor een USB-connectorsysteem dat steeds populairder wordt op smartphones en mobiele apparaten en dat zowel stroomtoevoer als gegevensoverdracht mogelijk maakt.

In tegenstelling tot zijn USB-voorgangers, is hij ook omklapbaar, dus je hoeft niet drie keer te proberen om hem aan te sluiten.

Een USB Type-C-poort. Afbeelding met dank aan Denys Vitali

In dit inleidende artikel wordt ingegaan op enkele van de belangrijkste kenmerken van de USB-C-standaard. Voordat we in de pin-out duiken en uitleggen waartoe elk in staat is, zullen we snel een algemeen beeld krijgen van wat USB-C is en waar het het beste in is.

Wat is USB-C?

De USB-C is een relatief nieuwe standaard die tot doel heeft gegevensoverdracht met hoge snelheid tot 10 Gb/s te bieden, samen met een stroomcapaciteit tot 100 W. Deze functies kunnen de USB-C tot een werkelijk universele connectiviteitsstandaard maken voor moderne apparaten.

USB-C of USB Type-C?

Deze twee termen zijn over het algemeen onderling uitwisselbaar (we zullen beide in dit artikel gebruiken). Hoewel USB-C vaker wordt gebruikt, is USB Type-C de officiële naam van de standaard zoals vermeld op USB.org.

USB-C-functies

De USB-C-interface heeft drie hoofdkenmerken:

• Het heeft een omklapbare connector. De interface is zo ontworpen dat de stekker kan worden omgedraaid ten opzichte van het stopcontact.
• Het ondersteunt USB 2.0, USB 3.0 en USB 3.1 Gen 2-standaarden. Bovendien kan het protocollen van derden, zoals DisplayPort en HDMI, ondersteunen in een modus die Alternate Mode wordt genoemd.
• Het stelt de apparaten in staat om te onderhandelen en een geschikt niveau van stroomtoevoer via de interface te kiezen.

In de volgende paragrafen zullen we zien hoe deze functies worden geleverd door de USB Type-C-standaard.

De USB Type-C contactdoos/plug-pinnen

De USB Type-C-connector heeft 24 pinnen. Figuren 1 en 2 tonen respectievelijk de pinnen voor de USB Type-C-aansluiting en -stekker.

Figuur 1. De USB Type-C-aansluiting. Afbeelding met dank aan Microchip.

Figuur 2. De USB Type-C-stekker. Afbeelding met dank aan Microchip.

USB 2.0 differentiële paren

De D+ en D- pinnen zijn de differentiële paren die worden gebruikt voor de USB 2.0-connectiviteit. Er zitten twee D+ pinnen en twee D- pinnen in de houder.

De pinnen zijn echter met elkaar verbonden en er is eigenlijk maar één USB 2.0-gegevensdifferentieelpaar beschikbaar voor gebruik. De redundantie is alleen inbegrepen om een ​​omklapbare connector te bieden.

Voedings- en aardingspinnen

De VBUS- en GND-pinnen zijn de voeding en de retourpaden voor de signalen. De standaard VBUS-spanning is 5 V, maar volgens de standaard kunnen de apparaten onderhandelen en een andere VBUS-spanning kiezen dan de standaardwaarde. Dankzij de Power Delivery kan VBUS een spanning tot 20 V hebben. De maximale stroom kan ook worden verhoogd tot 5 A. Daarom kan de USB Type-C een maximaal vermogen van 100 W leveren.

De hoge stroomtoevoer kan handig zijn bij het opladen van een groot apparaat zoals een notebookcomputer. Afbeelding 3 toont een voorbeeld van RICHTEK waarbij een buck-boost-converter wordt gebruikt om de juiste spanning te genereren die door de notebookcomputer wordt gevraagd.

Figuur 3. Afbeelding met dank aan Richtek.

Merk op dat de stroomvoorzieningstechnologie USB Type-C veelzijdiger maakt dan de oudere standaarden, omdat het het vermogensniveau aanpasbaar maakt aan de behoeften van de belasting. U kunt zowel uw smartphone als uw notebook opladen met dezelfde kabel.

De RX- en TX-pinnen

Er zijn twee sets RX differentiële paren en twee sets TX differentiële paren.

Een van deze twee RX-paren kan samen met een TX-paar worden gebruikt voor het USB 3.0/USB 3.1-protocol. Omdat de connector omklapbaar is, is een multiplexer nodig om de gegevens op de gebruikte differentiële paren correct door de kabel te leiden.

Houd er rekening mee dat een USB Type-C-poort USB 3.0/3.1-standaarden kan ondersteunen, maar de minimale functieset van USB Type-C omvat geen USB 3.0/3.1. In dergelijke gevallen worden de RX/TX-paren niet gebruikt door de USB 3.0/3.1-connectiviteit en kunnen ze worden gebruikt door andere USB Type-C-functies zoals de alternatieve modus en het USB Power Delivery-protocol. Deze functionaliteiten kunnen zelfs alle beschikbare RX/TX differentiële paren gebruiken.

De CC1- en CC2-pinnen

Deze pinnen zijn de kanaalconfiguratiepinnen. Ze voeren een aantal functies uit, zoals detectie van het bevestigen en verwijderen van kabels, detectie van stopcontact/stekker en huidige reclame. Deze pinnen kunnen ook worden gebruikt voor de communicatie die vereist is voor de Power Delivery en Alternate Mode.

Afbeelding 4 hieronder laat zien hoe de CC1- en CC2-pinnen de oriëntatie van de houder/stekker onthullen. In deze afbeelding staat DFP voor Downstream Facing Port, de poort die fungeert als host bij gegevensoverdracht of als stroombron. UFP staat voor Upstream Facing Port, het apparaat dat is aangesloten op de host of de stroomverbruiker.

Figuur 4. Afbeelding met dank aan Microchip.

De DFP trekt de CC1- en CC2-pinnen omhoog via de Rp-weerstanden, maar de UFP trekt ze naar beneden via Rd. Als er geen kabel is aangesloten, ziet de bron een logische high op CC1- en CC2-pinnen. Door de USB Type-C-kabel aan te sluiten, ontstaat een stroompad van de 5-V-voeding naar de aarde. Omdat er maar één CC-draad in de USB Type-C-kabel zit, wordt er maar één stroompad gevormd. In de bovenste afbeelding van afbeelding 4 is de CC1-pin van de DFP bijvoorbeeld verbonden met de CC1-pin van de UFP. Daarom zal de DFP CC1-pin een spanning hebben die lager is dan 5 V, maar de DFP CC2-pin zal nog steeds logisch hoog zijn. Daarom kunnen we door de spanning op de DFP CC1- en CC2-pinnen te bewaken, de kabelbevestiging en de oriëntatie ervan bepalen.

Naast de kabeloriëntatie wordt het Rp-Rd-pad gebruikt als een manier om informatie over de bronstroommogelijkheden te communiceren. Hiertoe bewaakt de stroomverbruiker (UFP) de spanning op de CC-lijn. Wanneer de spanning op de CC-lijn de laagste waarde heeft (ongeveer 0,41 V), kan de bron de standaard USB-stroom leveren die respectievelijk 500 mA en 900 mA is voor USB 2.0 en USB 3.0. Wanneer de CC-lijnspanning ongeveer 0,92 V is, kan de bron een stroom leveren van 1,5 A. De hoogste CC-lijnspanning van ongeveer 1,68 V komt overeen met de bronstroomcapaciteit van 3 A.

De VCONN-pin

Zoals hierboven vermeld, is de USB Type-C bedoeld om razendsnelle gegevensoverdrachtssnelheden te bieden, samen met een hoge stroomstroom. Deze functies vereisen mogelijk het gebruik van speciale kabels die elektronisch zijn gemarkeerd door een chip aan de binnenkant te gebruiken. Bovendien maken sommige actieve kabels gebruik van een re-driverchip om het signaal te versterken en de verliezen van de kabel te compenseren, enz. In deze gevallen kunnen we de circuits in de kabel van stroom voorzien door een 5-V, ​​1-W voeding toe te passen. voeding naar de VCONN-pin. Dit wordt getoond in figuur 5.

Figuur 5. Afbeelding met dank aan Microchip.

Zoals je kunt zien, gebruikt de actieve kabel de Ra-weerstanden om de CC2-pinnen naar beneden te trekken. De waarde van Ra verschilt van die van Rd, dus de DFP kan nog steeds de kabeloriëntatie bepalen door de spanning op de DFP CC1- en CC2-pinnen te onderzoeken. Nadat de kabeloriëntatie is bepaald, wordt de kanaalconfiguratiepen die overeenkomt met de "actieve kabel-IC" aangesloten op een 5-V, ​​1-W-voeding om het circuit in de kabel van stroom te voorzien. In figuur 5 komt het geldige Rp-Rd-pad bijvoorbeeld overeen met de CC1-pin. Daarom is de CC2-pin verbonden met de voeding die wordt aangeduid met VCONN.

De SBU1- en SBU2-pinnen

Deze twee pinnen komen overeen met signaalpaden met lage snelheid die alleen in de alternatieve modus worden gebruikt.

De USB-stroomvoorziening

Nu we bekend zijn met het vastzetten van de USB-C-standaard, gaan we eens kijken naar de USB Power Delivery.

Zoals hierboven vermeld, kunnen de apparaten die gebruikmaken van de USB Type-C-standaard onderhandelen en een geschikt stroomstroomniveau via de interface kiezen. Deze stroomonderhandelingen worden bereikt via een protocol genaamd USB Power Delivery, wat een communicatie via één draad is via de hierboven besproken CC-lijn. Afbeelding 6 hieronder toont een voorbeeld van USB Power Delivery waarbij de sink verzoeken naar de bron stuurt en de VBUS-spanning indien nodig aanpast. In eerste instantie wordt een 9-V-bus gevraagd. Nadat de bron de busspanning op 9 V heeft gestabiliseerd, stuurt deze een bericht "power-supply-ready" naar de gootsteen. Vervolgens vraagt ​​de gootsteen om een ​​5-V-bus en de bron levert deze en verzendt opnieuw een "power-supply-ready"-bericht.

Figuur 6. Afbeelding met dank aan Richtek.

Het is belangrijk op te merken dat de "USB Power Delivery" niet alleen gaat over de onderhandelingen over stroomlevering, andere onderhandelingen, zoals die met betrekking tot de alternatieve modus, worden gedaan met behulp van het Power Delivery-protocol op de CC-lijn van de standaard.

Alternatieve modi

Deze manier van werken stelt ons in staat om protocollen van derden, zoals DisplayPort en HDMI, te implementeren met behulp van de USB Type-C-standaard. Alle alternatieve modi moeten minimaal een USB 2.0- en USB Power Delivery-verbinding ondersteunen. Raadpleeg dit TI-document voor meer informatie.

Conclusie

De USB Type-C heeft interessante eigenschappen. Het ondersteunt een razendsnelle gegevensoverdrachtsnelheid tot 10 Gb/s en een hoog vermogen van maximaal 100 W. Deze samen met een omklapbare connector kunnen de USB Type-C tot een werkelijk universele standaard maken voor de moderne apparaten.

Ga naar deze pagina om een ​​volledige lijst van mijn artikelen te zien.