Leitfaden zu USB-C-Pinbelegung und -Funktionen

Dieser Einführungsartikel befasst sich mit einigen der wichtigsten Funktionen des USB-C-Standards.

Kennen Sie sich mit einem USB-Typ-C-Anschluss aus? Dieser Artikel erläutert die Anatomie der USB-Typ-C-Pinbelegung und geht kurz auf die verschiedenen Modi ein.

USB Typ-C ist eine Spezifikation für ein USB-Anschlusssystem, das bei Smartphones und Mobilgeräten immer beliebter wird und sowohl Strom als auch Datenübertragung liefern kann.

Im Gegensatz zu seinen USB-Vorgängern ist es auch umklappbar, sodass Sie es nicht dreimal versuchen müssen, es anzuschließen.

Ein USB-Typ-C-Anschluss. Bild mit freundlicher Genehmigung von Denys Vitali

Dieser Einführungsartikel befasst sich mit einigen der wichtigsten Funktionen des USB-C-Standards. Bevor wir uns mit der Pinbelegung befassen und erklären, wozu jeder fähig ist, werden wir uns schnell einen Überblick darüber verschaffen, was USB-C ist und was es am besten kann.

Was ist USB-C?

USB-C ist ein relativ neuer Standard, der eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung von bis zu 10 Gb/s zusammen mit einer Leistungsflussfähigkeit von bis zu 100 W bieten soll. Diese Funktionen können USB-C zu einem wirklich universellen Konnektivitätsstandard für moderne Geräte machen.

USB-C oder USB Typ-C?

Diese beiden Begriffe sind im Allgemeinen austauschbar (wir werden beide in diesem Artikel verwenden). Obwohl USB-C häufiger verwendet wird, ist USB Typ-C der offizielle Name des Standards, der auf USB.org aufgeführt ist.

USB-C-Funktionen

Die USB-C-Schnittstelle hat drei Hauptfunktionen:

• Es hat einen umklappbaren Anschluss. Die Schnittstelle ist so konstruiert, dass der Stecker relativ zur Buchse umgedreht werden kann.
• Es unterstützt die Standards USB 2.0, USB 3.0 und USB 3.1 Gen 2. Darüber hinaus kann es Protokolle von Drittanbietern wie DisplayPort und HDMI in einem Betriebsmodus namens Alternate Mode unterstützen.
• Es ermöglicht den Geräten, einen geeigneten Leistungsfluss durch die Schnittstelle auszuhandeln und auszuwählen.

In den folgenden Abschnitten werden wir sehen, wie diese Funktionen vom USB-Typ-C-Standard bereitgestellt werden.

Die USB-Typ-C-Buchse/Steckstifte

Der USB-Typ-C-Anschluss hat 24 Pins. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen jeweils die Pins für die USB-Typ-C-Buchse und den Stecker.

Abbildung 1. Die USB-Typ-C-Buchse. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip.

Abbildung 2. Der USB-Typ-C-Stecker. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip.

USB 2.0-Differenzialpaare

Die D+- und D-Pins sind die Differenzpaare, die für die USB 2.0-Konnektivität verwendet werden. In der Buchse befinden sich zwei D+-Pins und zwei D-Pins.

Die Pins sind jedoch miteinander verbunden und es steht tatsächlich nur ein USB 2.0-Datendifferenzialpaar zur Verfügung. Die Redundanz ist nur enthalten, um einen umklappbaren Anschluss bereitzustellen.

Strom- und Erdungsstifte

Die VBUS- und GND-Pins sind die Strom- und die Rückwege für die Signale. Die Standard-VBUS-Spannung beträgt 5 V, aber der Standard ermöglicht es den Geräten, eine andere VBUS-Spannung als den Standardwert auszuhandeln und auszuwählen. Die Power Delivery ermöglicht VBUS eine Spannung von bis zu 20 V. Der maximale Strom könnte auch auf bis zu 5 A erhöht werden. Somit könnte der USB Typ-C eine maximale Leistung von 100 W liefern.

Der hohe Stromfluss kann beim Aufladen eines großen Geräts wie eines Notebook-Computers nützlich sein. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel von RICHTEK, bei dem ein Abwärts-/Aufwärtswandler verwendet wird, um die entsprechende vom Notebook-Computer angeforderte Spannung zu erzeugen.

Abbildung 3. Bild mit freundlicher Genehmigung von Richtek.

Beachten Sie, dass die Power-Delivery-Technologie USB Typ-C vielseitiger macht als die älteren Standards, da der Leistungspegel an die Bedürfnisse der Last angepasst werden kann. Sie können sowohl Ihr Smartphone als auch Ihr Notebook mit demselben Kabel aufladen.

Die RX- und TX-Pins

Es gibt zwei Sätze von RX-Differenzialpaaren und zwei Sätze von TX-Differenzialpaaren.

Eines dieser beiden RX-Paare könnte zusammen mit einem TX-Paar für das USB 3.0/USB 3.1-Protokoll verwendet werden. Da der Stecker umklappbar ist, ist ein Multiplexer erforderlich, um die Daten auf den verwendeten Differenzpaaren korrekt durch das Kabel umzuleiten.

Beachten Sie, dass ein USB-Typ-C-Port USB 3.0/3.1-Standards unterstützen könnte, aber der Mindestfunktionssatz von USB-Typ-C umfasst nicht USB 3.0/3.1. In solchen Fällen werden die RX/TX-Paare nicht von der USB 3.0/3.1-Konnektivität verwendet und könnten von anderen USB-Typ-C-Funktionen wie dem Alternate Mode und dem USB Power Delivery-Protokoll verwendet werden. Diese Funktionalitäten können sogar alle verfügbaren RX/TX-Differentialpaare nutzen.

Die CC1- und CC2-Pins

Diese Pins sind die Kanalkonfigurationspins. Sie führen eine Reihe von Funktionen aus, wie z. B. Erkennung von Kabelanbringung und -entfernung, Erkennung der Buchsen-/Steckerausrichtung und aktuelle Werbung. Diese Pins können auch für die Kommunikation verwendet werden, die von der Power Delivery und dem Alternate Mode benötigt wird.

Abbildung 4 unten zeigt, wie die Pins CC1 und CC2 die Ausrichtung von Buchse/Stecker zeigen. In dieser Abbildung steht DFP für Downstream Facing Port, dh der Port, der entweder als Host bei der Datenübertragung oder als Stromquelle fungiert. UFP bezeichnet den Upstream Facing Port, der das Gerät ist, das mit dem Host oder dem Stromverbraucher verbunden ist.

Abbildung 4. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip.

Das DFP zieht die CC1- und CC2-Pins durch die Rp-Widerstände hoch, das UFP zieht sie jedoch durch Rd nach unten. Wenn kein Kabel angeschlossen ist, sieht die Quelle ein logisches High an den Pins CC1 und CC2. Durch Anschließen des USB-Typ-C-Kabels wird ein Strompfad von der 5-V-Versorgung nach Masse erstellt. Da sich im USB-Typ-C-Kabel nur ein CC-Draht befindet, wird nur ein Strompfad gebildet. In der oberen Grafik von Abbildung 4 ist beispielsweise der CC1-Pin des DFP mit dem CC1-Pin des UFP verbunden. Daher hat der DFP CC1-Pin eine Spannung von weniger als 5 V, aber der DFP CC2-Pin befindet sich immer noch auf logischem High. Daher können wir durch Überwachung der Spannung an den DFP CC1- und CC2-Pins die Kabelbefestigung und deren Ausrichtung bestimmen.

Zusätzlich zur Kabelausrichtung wird der Rp-Rd-Pfad verwendet, um Informationen über die Quellstromfähigkeiten zu übermitteln. Dazu überwacht der Stromverbraucher (UFP) die Spannung auf der CC-Leitung. Wenn die Spannung an der CC-Leitung den niedrigsten Wert hat (ca. 0,41 V), kann die Quelle die standardmäßige USB-Leistung bereitstellen, die 500 mA bzw. 900 mA für USB 2.0 und USB 3.0 beträgt. Wenn die CC-Leitungsspannung etwa 0,92 V beträgt, kann die Quelle einen Strom von 1,5 A liefern. Die höchste CC-Leitungsspannung, die etwa 1,68 V beträgt, entspricht der Strombelastbarkeit der Quelle von 3 A.

Der VCONN-Pin

Wie oben erwähnt, zielt der USB-Typ-C darauf ab, blitzschnelle Datenübertragungsgeschwindigkeiten zusammen mit einem hohen Leistungsfluss bereitzustellen. Diese Merkmale können die Verwendung spezieller Kabel erfordern, die durch den Einsatz eines Chips im Inneren elektronisch gekennzeichnet sind. Außerdem verwenden einige aktive Kabel einen Re-Driver-Chip, um das Signal zu verstärken und die durch das Kabel verursachten Verluste usw. auszugleichen. In diesen Fällen können wir die Schaltung im Kabel mit einer Leistung von 5 V, 1 W versorgen Versorgung des VCONN-Pins. Dies ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip.

Wie Sie sehen können, verwendet das aktive Kabel die Ra-Widerstände, um die CC2-Pins herunterzuziehen. Der Wert von Ra unterscheidet sich von Rd, sodass DFP immer noch die Kabelausrichtung bestimmen kann, indem die Spannung an den DFP-Pins CC1 und CC2 untersucht wird. Nachdem die Kabelausrichtung bestimmt wurde, wird der dem „Active Cable IC“ entsprechende Kanalkonfigurationspin mit einer 5-V-, 1-W-Versorgung verbunden, um die Schaltung im Kabel zu versorgen. In Abbildung 5 entspricht beispielsweise der gültige Rp-Rd-Pfad dem CC1-Pin. Daher ist der CC2-Pin mit der mit VCONN bezeichneten Versorgung verbunden.

Die SBU1- und SBU2-Pins

Diese beiden Pins entsprechen langsamen Signalpfaden, die nur im Alternate Mode verwendet werden.

Die USB-Stromversorgung

Nun, da wir mit dem Pinning des USB-C-Standards vertraut sind, werfen wir einen kurzen Blick auf die USB Power Delivery.

Wie oben erwähnt, können die Geräte, die den USB-Typ-C-Standard verwenden, einen geeigneten Leistungsfluss durch die Schnittstelle aushandeln und auswählen. Diese Leistungsverhandlungen werden durch ein Protokoll namens USB Power Delivery erreicht, bei dem es sich um eine Eindrahtkommunikation über die oben beschriebene CC-Leitung handelt. Abbildung 6 unten zeigt ein Beispiel für USB Power Delivery, bei dem die Senke Anfragen an die Quelle sendet und die VBUS-Spannung nach Bedarf anpasst. Zunächst wird ein 9-V-Bus angefordert. Nachdem die Quelle die Busspannung auf 9 V stabilisiert hat, sendet sie eine „Netzteil-bereit“-Meldung an die Senke. Dann fordert die Senke einen 5-V-Bus an und die Quelle stellt ihn bereit und sendet erneut eine „Netzteil-bereit“-Nachricht.

Abbildung 6. Bild mit freundlicher Genehmigung von Richtek.

Es ist wichtig anzumerken, dass es bei der „USB Power Delivery“ nicht nur um die Verhandlungen im Zusammenhang mit der Stromversorgung geht, sondern auch andere Verhandlungen, z. P>

Alternative Modi

Dieser Betriebsmodus ermöglicht es uns, Protokolle von Drittanbietern wie DisplayPort und HDMI mithilfe des USB-Typ-C-Standards zu implementieren. Alle alternativen Modi müssen mindestens eine USB 2.0- und USB Power Delivery-Verbindung unterstützen. Weitere Informationen finden Sie in diesem TI-Dokument.

Schlussfolgerung

Der USB Typ-C hat interessante Features. Er unterstützt eine blitzschnelle Datenübertragungsgeschwindigkeit von bis zu 10 Gb/s und einen hohen Leistungsfluss von bis zu 100 W. Zusammen mit einem umklappbaren Anschluss kann USB Typ-C zu einem wirklich universellen Standard für moderne Geräte werden.

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