Herausforderungen bei der Implementierung von USB-Typ-C-Ports und Designlösungen

USB von 1.1 bis 3.2 und höher

Der Universal Serial Bus (USB) wurde erstmals 1996 auf den Markt gebracht und vereinheitlicht die Rollen verschiedener Arten von Verbindungen und ist in Computer- und Consumer-Tech-Produkten allgegenwärtig. Seine Einführung machte den Anschluss mehrerer Peripheriegeräte wie Tastatur, Maus, Drucker, Kamera, externes Laufwerk oder andere einfach und bequem an einen Computer. Peripheriegeräte wurden nicht mehr durch ihre Schnittstellen definiert und die Benutzer mussten sich nicht mehr mit mehreren Kabeltypen auseinandersetzen, um die Geräte zu verbinden, die sie verwenden wollten.

USB 1.1 erlaubt eine maximale Datenrate von 12 Mbit/s. USB 2.0 hat die Messlatte auf 480 Mbit/s angehoben, um eine Vielzahl von Aufgaben zu bewältigen, einschließlich des Streamings von Videos und der schnellen Übertragung von Daten von externen Geräten auf eine PC-Festplatte. Durch die Bereitstellung von bis zu 2,5 W bei 5 V DC über ausgewiesene VBUS- und Masse-Pins ermöglichte die USB-Schnittstelle Benutzern auch die Stromversorgung kleiner Geräte wie externe Laufwerke oder das Aufladen von Laptops und Mobiltelefonen ohne zusätzliche Stromversorgungsanschlüsse. Im Jahr 2007 hat die Smartphone-Industrie die USB-Ladeschnittstelle für Handsets vorgeschrieben, um das Aufladen an einer Standard-USB-Typ-A-Steckdose zu ermöglichen und die Belastung durch Elektroschrott durch weggeworfene dedizierte Ladegeräte zu vermeiden.

Die heutigen Verbrauchertrends erfordern noch mehr Verbindungsbandbreite für eingebettete Systeme in intelligenten Produkten, wie z. B. Streaming-HD- und 4K-Ultra-HD-Videosysteme, die den Inhalt auf immer größere Bildschirmgrößen übertragen und Daten mit Hochgeschwindigkeits-Multi-Gigabit-Speicherlaufwerken austauschen müssen. Neue Standards wie HDMI mit 6 Gbit/s, DisplayPort mit 8,1 Gbit/s und Thunderbolt mit 20 Gbit/s sind entstanden, um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden.

Um die universelle Krone von USB beizubehalten, führte das USB Implementer's Forum (USB-IF) zuerst die USB 3.2-Spezifikation ein, die drei Übertragungsraten identifiziert:USB 3.2 Gen1 (5 Gbit/s), USB 3.2 Gen2 (10 Gbit/s) und USB 3.2 Gen2x2 (20 Gbit/s mit Dual- physische Schnittstelle der Fahrspur). Diese werden an Verbraucher als SuperSpeed ​​USB 5 Gbit/s, SuperSpeed ​​USB 10 Gbit/s und SuperSpeed ​​USB 20 Gbit/s vermarktet.

Zuletzt wurde USB4 mit Unterstützung für 20 Gbit/s (USB4 20 Gbit/s) und 40 Gbit/s (USB4 40 Gbit/s) Übertragungsraten spezifiziert. USB4 ist abwärtskompatibel mit USB 3.2, USB 2.0 und Thunderbolt 3 und führt Änderungen ein, darunter eine verbindungsorientierte Tunneling-Architektur, die es ermöglicht, mehrere Protokolle auf derselben physischen Schnittstelle zu kombinieren und die Gesamtgeschwindigkeit und Leistung des USB4-Fabric zu teilen.

Upgrade der physischen Verbindung

Um die neuen Dual-Lane-Hochgeschwindigkeitsspezifikationen zu unterstützen und gleichzeitig die Abwärtskompatibilität mit älteren USB 2.0-Geräten zu ermöglichen, ist eine neue physikalische Schnittstelle erforderlich. Die USB-Typ-C-(USB-C-)Schnittstelle enthält nicht nur mehr Anschlüsse für zwei differenzielle Datenkanäle und einen parallel betriebenen USB-2.0-Bus, sondern bietet auch Funktionen zur Unterstützung der USB-Power-Delivery-(USB-PD-)Spezifikation. Zu diesen Funktionen gehören zwei Sätze von Strom- und Erdungspins und ein Kommunikationskanal, über den angeschlossene Geräte ihren Stromverbrauch und ihre Stromversorgungsfunktionen von Legacy-USB 2.0 5 V bis zur neuesten 20 V/5 A-Spezifikation aushandeln können. Zusätzliche Seitenbandnutzung (SBU) ist ebenfalls enthalten, um zukünftige Leistungsverbesserungen und neue Funktionen zu ermöglichen.

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Abbildung 1. USB-C-Anschlussstifte (Quelle:Diodes Inc.)

USB-C vereinfacht das Anschließen von Geräten aus Sicht des Benutzers. Der Stecker ist nicht polarisiert, sodass das Kabel in beide Richtungen eingesteckt werden kann; Daher verfügt der USB-C-Anschluss jetzt über 24 Pins, um die große Anzahl von Strom- und Datenverbindungen bereitzustellen, die zur Unterstützung von USB 3.2, USB4 und USB Power Delivery (PD) erforderlich sind, und um eine Abwärtskompatibilität mit USB 2.0 zu ermöglichen, wie gezeigt in Abbildung 1.

Darüber hinaus ist die Schnittstelle bidirektional, sodass die Kabel an jedem Ende denselben Stecker haben und angeschlossene Geräte als Host oder Gerät oder als Stromverbraucher oder -Versorger fungieren können.

Implementieren von USB-C

Mit dieser zusätzlichen Flexibilität und dem Bedarf an zusätzlichen Pins ist die USB-C-Schnittstelle wesentlich komplexer als ihre Vorgänger. Angeschlossene Geräte können als Downstream-Port (DFP oder Quelle), Upstream-Port (UFP oder Sink) oder Dual-Rolle-Port (DRP) klassifiziert werden, der sowohl Daten als auch Strom liefern und ableiten kann. Logik ist in jedem Fall erforderlich, um die Konfigurationssteuerung zu handhaben. Außerdem ist es notwendig, die Steckrichtung des Kabels zu erkennen und Signale wie USB 3.2 und DisplayPort korrekt auf den USB-C-Anschluss umzuschalten. Darüber hinaus sind Multiplexing von USB 2.0-Signalen, Leistungsumschaltung und Ladekontrolle sowie natürlich Vorkehrungen für die Signalintegrität und den Transientenspannungsschutz erforderlich.

Ein Gerät wie ein Notebook-PC oder Tablet kann eine Schaltung enthalten, wie in Abbildung 2 gezeigt, um eine voll funktionsfähige USB-C-Schnittstelle bereitzustellen, die USB 3.2 und Multimediadaten sowie USB-PD-Funktionalität verarbeiten kann.

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Abbildung 2. USB-C-Schnittstelle, die USB 3.2 Multimedia und USB PD unterstützt (Quelle:Diodes Inc.)

Bidirektionale Matrixswitches wie der in Abbildung 2 gezeigte Diodes PI3USB31532 bieten eine vollständig integrierte Lösung, die USB 3.2 Gen2 (Single-Lane, 10 Gbit/s SuperSpeed+) und/oder bis zu vier Kanäle von DisplayPort 1.4-Signalen sowie Hilfskanäle durch multiplexen kann den USB-C-Anschluss. Der Switch ist mit geringer Einfügedämpfung und einer breiten -3dB-Bandbreite von 8,3 GHz ausgelegt, um eine Signaltreue von bis zu 10 Gbit/s zu gewährleisten.

Zusätzlich zur Unterstützung der oben genannten PI5USB31532-Funktion kann ein aktiver Mux wie der 6-Kanal-4-Lane-PI3DPX1205A1 verwendet werden. Dieser Mux enthält eine ReDriver-Funktion, um längere Strecken zu fahren. Funktionen wie empfangsseitige lineare Entzerrung und Ausgangseinstellungen für flache Verstärkung und Entzerrung gewährleisten die doppelte Signalintegrität vergleichbarer CMOS-ReDriver.

Die USB Power Delivery-Funktion wird über den PD-Controller ausgeführt, der eine Leistungsabgabe von bis zu 100 W über den USB-Typ-C-Anschluss sowie alternative Modi für Multimediadaten wie DP oder Thunderbolt über die USB-Typ-C-Schnittstelle ermöglicht.

Ein Gerät wie das PI5USB2546A integriert eine Ladeportsteuerung und einen 2,4A Netzschalter sowie die Umschaltung für USB 2.0 D+ und D-Datenleitungen. Das Teil unterstützt die USB Battery Charging 1.2-Spezifikation, einschließlich des Lade-Downstream-Ports (CDP) und des dedizierten Ladeports (DCP) und kann in Wandladeadaptern sowie Host- und Hub-Geräten verwendet werden.

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Abbildung 3. Implementierung von USB-C in Smartphones (Quelle:Diodes Inc.)

Abbildung 3 zeigt eine für ein Smartphone geeignete Implementierung eines USB-C-Anschlusses. Diese Schaltung verwendet das Beispiel eines Diodes PI5USB31213A, der die USB-Typ-C-Konfigurationskanal-Controller-Funktion zusammen mit der USB 3.2 Gen2 10Gbps-Multiplexing-Funktion enthält, um die richtigen Daten an den nicht polarisierten USB-Typ-C-Anschluss zu ermöglichen. Das Gerät übernimmt die automatische Konfiguration von Hostmodus, Gerätemodus oder Dual-Role-Port basierend auf den am CC-Pin erkannten Spannungspegeln. Es bietet auch eine Erkennung der Steckerausrichtung sowie das Aushandeln des Ladestroms über die USB-Typ-C-Schnittstelle. Alternativ könnte ein Gerät wie das PI3EQX10312 verwendet werden. Diese enthält alle Funktionen von PI5USB31213A mit der einzigen Änderung, dass ein ReDriver integriert wurde, um das Fahren längerer Spurdistanzen zu ermöglichen.

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Abbildung 4. USB-C-Dock (Quelle:Diodes Inc.)

Als letztes Beispiel zeigt Abbildung 4 eine universelle Dockingstation, die über einen einzigen USB-Typ-C-Anschluss mit einem Upstream-Host verbunden ist und DisplayPort, HDMI, VGA und mehrere USB-3.2-Ausgangsanschlüsse für Downstream-Geräte wie Monitore und externe Geräte bereitstellt. Lager. Es bietet auch einen Gigabit-Ethernet-LAN-Port. Hier kann ein Gerät wie der PI3USB31532 USB Type-C Crossbar Switch oder PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 Active Crossbar verwendet werden, um USB 3.2 und DisplayPort Switching zu handhaben. Der in der Abbildung gezeigte Netzschalter ermöglicht es dem Dock, den Hostcomputer über die VBUS-Pins mit Strom zu versorgen. Die Ausgabe vom DP-Switch (zum Beispiel PI3WVR31310A) geht entweder direkt zum DP-Anschluss oder über den HDMI- oder VGA-Konverter zu den HDMI- bzw. VGA-Anschlüssen.

Schlussfolgerung       

Gerätedesigner müssen sich der Komplexität des USB-C-Ports stellen, um die neuesten USB-Strom- und Datenfunktionen voll ausnutzen zu können, einschließlich Leistungsabgabe mit bis zu 100 W, USB 3.2- und USB4-Datenraten und Multiprotokollunterstützung. Eine Vielzahl integrierter Lösungen steht zur Verfügung, um Datenumschaltung, Leistungsumschaltung, Ladesteuerung und Kabelorientierungserkennung zu handhaben, die das Design vereinfachen und die Produktzertifizierung vereinfachen sowie Platinenplatz und Stücklistenkosten sparen.