Uitdagingen voor implementatie van USB Type-C-poorten en ontwerpoplossingen

USB van 1.1 naar 3.2 en verder

De universele seriële bus (USB), die voor het eerst werd gelanceerd in 1996, verenigde de rollen van meerdere verschillende soorten verbindingen en is alomtegenwoordig in computer- en consumententechnologieproducten. De komst maakte het eenvoudig en handig om meerdere randapparatuur, zoals toetsenbord, muis, printer, camera, externe schijf of andere, op een computer aan te sluiten. Randapparatuur werd niet langer gedefinieerd door hun interfaces en gebruikers hadden niet langer te maken met meerdere kabeltypes om apparaten aan te sluiten die ze wilden gebruiken.

USB 1.1 stond een maximale gegevenssnelheid van 12 Mbps toe. USB 2.0 verhoogde de lat tot 480 Mbps om een ​​breed scala aan functies aan te kunnen, waaronder het streamen van video en het snel overbrengen van gegevens van externe apparaten naar een pc-harde schijf. Door tot 2,5 W te leveren bij 5 V DC via aangewezen VBUS en aardingspinnen, stelt de USB-interface gebruikers ook in staat om kleine apparaten, zoals externe schijven, van stroom te voorzien of om laptops en mobiele telefoons op te laden zonder extra voedingsaansluitingen. In 2007 heeft de smartphone-industrie de USB-oplaadinterface voor handsets verplicht gesteld om opladen via een standaard USB Type-A-stopcontact mogelijk te maken en de last van elektrisch afval als gevolg van afgedankte speciale opladers te vermijden.

De huidige consumententrends vragen om nog meer interconnect-bandbreedte voor embedded systemen in slimme producten, zoals streaming HD- en 4K ultra-HD-videosystemen die de inhoud naar steeds grotere schermformaten moeten casten en gegevens moeten uitwisselen met supersnelle multi-gigabit opslagschijven. Nieuwe standaarden zoals HDMI met 6 Gbps, DisplayPort met 8,1 Gbps en Thunderbolt met 20 Gbps kwamen naar voren om aan de toegenomen eisen te voldoen.

Om de universele kroon van USB te behouden, introduceerde het USB Implementer's Forum (USB-IF) eerst de USB 3.2-specificatie, die drie overdrachtssnelheden identificeert:USB 3.2 Gen1 (5 Gbps), USB 3.2 Gen2 (10 Gbps) en USB 3.2 Gen2x2 (20 Gbps gebruikmakend van dual- rijstrook fysieke interface). Deze worden aan consumenten verkocht als SuperSpeed ​​USB 5 Gbps, SuperSpeed ​​USB 10 Gbps en SuperSpeed ​​USB 20 Gbps.

Meest recentelijk is USB4 gespecificeerd met ondersteuning voor 20Gbps (USB4 20Gbps) en 40Gbps (USB4 40Gbps) overdrachtssnelheden. Achterwaarts compatibel met USB 3.2, USB 2.0 en Thunderbolt 3, introduceert USB4 veranderingen, waaronder een verbindingsgeoriënteerde tunneling-architectuur waarmee meerdere protocollen kunnen worden gecombineerd op dezelfde fysieke interface en de algehele snelheid en prestaties van de USB4-structuur kunnen delen.

De fysieke verbinding upgraden

Om de nieuwe dual-lane high-speed specificaties te ondersteunen en tegelijkertijd achterwaartse compatibiliteit met oudere USB 2.0-apparatuur mogelijk te maken, is een nieuwe fysieke interface vereist. De USB Type-C (USB-C) interface bevat niet alleen meer aansluitingen voor twee sets differentiële datakanalen en een parallel werkende USB 2.0-bus, maar voegt ook functies toe ter ondersteuning van de USB Power Delivery (USB PD)-specificatie. Deze functies omvatten twee sets voedings- en aardingspinnen en een communicatiekanaal waarover aangesloten apparaten kunnen onderhandelen over hun energieverbruik en stroomvoorzieningscapaciteiten, variërend van oudere USB 2.0 5V tot de nieuwste 20V/5A-specificatie. Extra zijbandgebruik (SBU) is ook inbegrepen om toekomstige prestatieverbeteringen en nieuwe functies mogelijk te maken.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1. USB-C-connectorpinnen (bron:Diodes Inc.)

USB-C vereenvoudigt het aansluiten van apparaten vanuit het oogpunt van de gebruiker. De connector is niet-gepolariseerd, waardoor de kabel in beide richtingen kan worden geplaatst; daarom heeft de USB-C-connector nu 24 pinnen om te voorzien in het grote aantal stroom- en gegevensverbindingen dat nodig is om USB 3.2, USB4 en USB Power Delivery (PD) te ondersteunen en om achterwaartse compatibiliteit met USB 2.0 mogelijk te maken, zoals weergegeven in Afbeelding 1.

Bovendien is de interface bidirectioneel, waardoor de kabels aan elk uiteinde dezelfde connector kunnen hebben en aangesloten apparaten kunnen fungeren als host of apparaat of als stroomverbruiker of leverancier.

USB-C implementeren

Met deze extra flexibiliteit en vraag naar extra pinnen is de USB-C interface aanzienlijk complexer dan zijn voorgangers. Aangesloten apparaten kunnen worden geclassificeerd als een naar beneden gerichte poort (DFP of source), een naar boven gerichte poort (UFP of Sink) of een poort met dubbele rol (DRP) die zowel gegevens als stroom kan sourcen en opslaan. Logica is vereist om configuratiecontrole in elk geval af te handelen. Het is ook noodzakelijk om de plug-in-oriëntatie van de kabel te detecteren en signalen, zoals USB 3.2 en DisplayPort, correct om te schakelen naar de USB-C-connector. Daarnaast zijn multiplexing van USB 2.0-signalen, stroomomschakeling en laadregeling vereist, en natuurlijk voorzieningen voor signaalintegriteit en bescherming tegen transiënte spanningen.

Een apparaat, zoals een notebook-pc of tablet, kan circuits bevatten, zoals weergegeven in afbeelding 2, om een ​​volledig functionerende USB-C-interface te bieden die zowel USB 3.2 en multimediagegevens als USB PD-functionaliteit kan verwerken.

klik voor grotere afbeelding

Afbeelding 2. USB-C-interface die USB 3.2 multimedia en USB PD ondersteunt (bron:Diodes Inc.)

Bidirectionele matrixschakelaars zoals de Diodes PI3USB31532, weergegeven in afbeelding 2, leveren een volledig geïntegreerde oplossing die in staat is om USB 3.2 Gen2 (single-lane, 10Gbps SuperSpeed+) en/of tot vier kanalen DisplayPort 1.4-signalen en hulpkanalen te multiplexen via de USB-C-connector. De switch is ontworpen met een laag invoegverlies en een brede -3dB bandbreedte van 8,3 GHz om signaalgetrouwheid tot 10 Gbps te garanderen.

Naast het ondersteunen van de bovenstaande PI5USB31532-functie, kan een actieve mux zoals de 6-kanaals 4-baans PI3DPX1205A1 worden gebruikt. Deze mux bevat een ReDriver-functie om langere afstanden te rijden. Functies zoals lineaire egalisatie aan de ontvangstzijde en uitgangsinstellingen voor vlakke versterking en egalisatie zorgen voor een dubbele signaalintegriteit van vergelijkbare CMOS-reDrivers.

De USB Power Delivery-functie wordt uitgevoerd via de PD-controller, die stroomtoevoer tot 100 W mogelijk maakt via de USB Type-C-connector en alternatieve modi van multimediagegevens mogelijk maakt, zoals DP of Thunderbolt, via de USB Type-C-interface.

Een apparaat zoals de PI5USB2546A integreert de controle van de laadpoort en een 2,4 A-stroomschakelaar, evenals de omschakeling voor USB 2.0 D+ en D‐-datalijnen. Het onderdeel ondersteunt de USB Battery Charging 1.2-specificatie, inclusief opladen van de downstream-poort (CDP) en speciale oplaadpoort (DCP)-modi en kan worden gebruikt in adapters voor het opladen van de muur, evenals host- en hub-apparaten.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3. Implementatie van USB-C in smartphones (Bron:Diodes Inc.)

Afbeelding 3 toont een implementatie van een USB-C-poort die geschikt is voor een smartphone. Dit circuit gebruikt het voorbeeld van een Diodes PI5USB31213A, die de USB Type-C-configuratiekanaalcontrollerfunctie samen met USB 3.2 Gen2 10 Gbps multiplexfunctie bevat om de juiste gegevens naar de niet-gepolariseerde USB Type-C-connector mogelijk te maken. Het apparaat verwerkt de automatische configuratie van de hostmodus, apparaatmodus of dual-rolpoort op basis van de spanningsniveaus die op de CC-pin zijn gedetecteerd. Het biedt ook detectie van de connectororiëntatie en onderhandeling over de laadstroom via de USB Type-C-interface. Als alternatief kan een apparaat zoals de PI3EQX10312 worden gebruikt. Dit bevat alle functies van de PI5USB31213A, met als enige verandering de toevoeging van een ReDriver om langere spoorafstanden te kunnen rijden.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4. USB-C-dock (bron:Diodes Inc.)

Als laatste voorbeeld illustreert figuur 4 een universeel dockingstation dat via een enkele USB Type-C-poort wordt aangesloten op een upstream-host en DisplayPort, HDMI, VGA en meerdere USB 3.2-uitgangspoorten biedt voor downstream-apparaten, zoals een monitor en externe opslag. Het biedt ook een Gigabit Ethernet LAN-poort. Hier kan een apparaat zoals de PI3USB31532 USB Type‐C crossbar-switch of PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 actieve crossbar worden gebruikt om USB 3.2 en DisplayPort-switching af te handelen. Met de aan/uit-schakelaar in het diagram kan het dock de hostcomputer van stroom voorzien via de VBUS-pinnen. De uitvoer van de DP-schakelaar (bijvoorbeeld PI3WVR31310A) gaat ofwel rechtstreeks naar de DP-connector of via de HDMI- of VGA-converter naar respectievelijk HDMI- en VGA-connectoren.

Conclusie       

Ontwerpers van apparatuur moeten de complexiteit van de USB-C-poort het hoofd bieden om volledig te kunnen profiteren van de nieuwste USB-stroom- en datamogelijkheden, inclusief stroomvoorziening tot 100 W, USB 3.2- en USB4-datasnelheden en ondersteuning voor meerdere protocollen. Er is een verscheidenheid aan geïntegreerde oplossingen beschikbaar voor gegevensomschakeling, stroomomschakeling, laadcontrole en kabeloriëntatiedetectie, die het ontwerp vereenvoudigen en productcertificering vereenvoudigen, en tevens ruimte op het bord en de kosten van de materiaallijst besparen.