Варианты аппаратной реализации USB Type-C, или Когда не требуется Power Delivery / Хабр
Когда мы в SberDevices делаем новое устройство, работаем над его аппаратной частью, перед нами встаёт вопрос выбора интерфейсов. Важным моментом при выборе является их доступность и совместимость с другими устройствами.
В своих устройствах мы не могли пройти мимо интерфейса USB-C. Помимо того, что он очень популярен в современных девайсах, он серьёзно расширил функциональность USB по сравнению со своими предшественниками. Давайте расскажу о нём поподробнее.
Краткий обзор особенностей USB TYPE-C
Стандарты USB существуют много лет, развиваются и совершенствуются по мере увеличения технологических потребностей и возможностей. Несмотря на свою универсальность, которая следует из аббревиатуры, привычный USB перестал удовлетворять по объему своей функциональности. В частности, не может решить задачу по обеспечению питания многих современных устройств, потребление которых серьёзно увеличилось.
Первая версия USB TYPE-C появилась в 2013 году. Помимо возможностей USB 2.0 и USB 3.0, USB-C стал поддерживать существенно более энергоёмкие профили питания, а также альтернативные режимы работы. В альтернативных режимах контакты разъёма используются для передачи данных высокоскоростных стандартов, таких как Display Port, Thunderbolt, HDMI, Mobile High-Definition Link (MHL). Недавно была опубликована новая реализация стандарта — USB4, которая также ориентируется на спецификацию USB-C.
Описание и назначение контактов разъёма
Рассмотрим группы сигналов USB-C соединителя:
| Группа | Цепи |
|---|---|
| Питание | VBUS (4 контакта), GND (4 контакта) |
USB 2. 0 |
DP (2 контакта), DN (2 контакта) |
| USB 3.0 | TX1+, TX1-, TX2+, TX2-, RX1+, RX1-, RX2+, RX2- |
| Конфигурационные контакты | CC1, CC2 |
| Дополнительные (Альтернативный режим) | SBU1, SBU2 |
Видно, что под питание заложено 4 пары контактов. Это намекает на то, что через разъём стала возможна доставка существенно большей энергии для питания устройства. Через контакты питания возможна передача до 100 Ватт в нагрузку.
Профили питания доступные через USB TYPE-C:
| USB 2.0 | 5 В 500 mA |
| USB 3.0/USB 3.1 | 5 В 900 mA |
| USB BC 1.2 | 5 В, до 1.5 А |
| USB Type-C Current 1.5A | 5 В 1.5 A |
| USB Type-C Current 3.0A | 5 В 3.0 A |
| USB Power Delivery | до 20 В, до 5A |
Режим питания зависит от того, какая функциональность USB-C используется.
Чтобы иметь возможность использовать профиль питания с большим током, при установке соединения нужно воспользоваться конфигурационными контактами CC.
Конфигурационные контакты СС
С помощью конфигурационных контактов CC (Configuration channel) происходит подключение двух устройств, установка параметров соединения, профилей питания, а также информационный обмен протокола USB Power Delivery. Функционально CC1- и CC2-пины решают следующие задачи:
- Определение ориентации кабеля.
В разъёме есть два конфигурационных контакта, но только один из них через кабель подключается к CC-пину на противоположной стороне. По тому, какой из двух контактов подключён, можно понять ориентацию кабеля. Второй может быть переназначен как контакт VCONN для питания активных кабелей.
- Определение ролей подключённых устройств.
При установлении соединения необходимо определить, кто будет выступать в качестве источника питания (Power Source) и потребителя (Power Sink). С точки зрения обмена данными, нужно определить хост Downstream Facing Port (DFP) и девайс Upstream Facing Port (UFP).
Источник (он же DFP) подтягивает линии CC к плюсу через резисторы Rp или использует источники тока. Потребитель (UFP) в свою очередь через резисторы Rd подтягивает линии CC к минусу.
Выставляя определённый номинал Rp (или создавая определённый ток на линии СС), host сообщает, какой ток для питания устройства он может обеспечить. Измеряя падение напряжения на Rd, потребитель понимает, какой Rp используется на противоположном конце и, следовательно, определяет ток питания, который может обеспечить host. Без использования USB Power Delivery по такой схеме возможно установить соединение c током до 3А с единственно возможным напряжением 5В.
- Канал для обмена сообщениями при работе по протоколу USB Power Delivery.
Об этом подробно расскажу в отдельной статье.
Экономичный вариант реализации без USB PD
Описание
Как видно выше, спецификация USB-C поддерживает широкий спектр стандартов передачи данных и профилей электропитания, но это не означает, что разработчик обязан использовать всю функциональность. Минимальный набор USB TYPE-C может включать в себя USB 2.0 с контактами CC и единственным напряжением питания 5V. В такой конфигурации можно обеспечить потребителю до 15 Вт (5 В, 3А), что значительно больше, чем может дать стандартный порт USB 3.0 – 4,5 Вт (5В, 900 мА).
Реализация
Чтобы реализовать логику подключения между DFP и UFP, можно использовать микросхему контроллера конфигурации CC, например, PTN5150. Этот вариант значительно проще и дешевле навороченных контроллеров, поддерживающих USB Power Delivery.
Структурная схема выглядит так:
Как видно, основные узлы представляют собой: монитор напряжений на СС контактах, набор источников тока, резисторов для переключения состояния выводов, модуль управления ролями устройства.
Микросхема имеет интерфейс I2C, с его помощью можно определить или изменить роль устройства (DFP, UFP, DRP).
Когда выбирается роль DFP, устройство предполагается как Power Source, для которого есть возможность выбрать 3 профиля питания. После выставления соответствующих бит в регистре управления, происходит подключение соответствующего источника тока на линию CC.
| Ток на СС-линии | Режим питания |
|---|---|
| 80 uA | 5V / 0.9 A |
| 180 uA | 5V / 1.5 A |
| 330 uA | 5V / 3 A |
В случае определения микросхемы в качестве UFP, контакты CC подключаются через резистор 5,1 кОм на землю.
Монитор измеряет падение напряжения на этом резисторе и в статусный регистр заносится текущий режим питания.
Также возможно установить роль Dual Role Power (DRP), в этом режиме микросхема последовательно изменяет состояние СС-контактов от “pull-up Rp” до “pull-down Rd” и обратно до тех пор, пока не будет установлено соединение. Соединение возможно только между одним источником (Power Source) и одним потребителем (Power Sink). Таким образом, когда микросхема находится в режиме DRP и монитор напряжения CC-контактов замечает понижение напряжения на противоположном конце (подключён “pull-down Rd”), устройство понимает, что подключено к Sink, и начинает играть роль Source. Такой режим полезен в том случае, когда заранее неизвестно, в каком режиме должно работать устройство.
Рассмотрим пример использования контроллера
Кроме описанных выше СС-пинов и I2C-шины стоит отдельно отметить контакты ID, CON_DET, PORT. Контакт ID отображает режим, в котором в данный момент находится контроллер.
Когда устройство определило себя в качестве DFP, ID примет значение LOW. Контакт CON_DET находится в HIGH, когда соединение установлено, LOW — в обратном случае. Эти два логических сигнала будем использовать далее для включения (когда мы DFP) и отключения (UFP) питания подключённого устройства.
Port — это вход, которым задаётся начальный режим устройства после включения питания. В случае, когда используется “pull-up”, контроллер становится DFP, если “pull-down” — UFP. Если нога осталась «висеть в воздухе», будет использоваться режим Dual Role, и устройство будет ждать подключения, чтобы определиться со своей ролью. Это состояние может быть изменено позднее, после конфигурирования по I2C или изменения уровня напряжения на PORT. Таким образом можно управлять режимами работы без использования I2C.
Нужно управлять питанием внешнего устройства, для этого можно воспользоваться дополнительной микросхемой логики и ключом.
Наша задача подавать питание на разъём USB-C только в том случае, когда к нам подключён UFP.
ID в таком случае примет значение LOW, CON_DET — значение HIGH. Для того, чтобы открыть ключ высоким уровнем HIGH, надо реализовать функцию Y = CON_DET& (NOT ID). Таким образом, если снаружи подключён UFP, он от нас питается, если DFP, то напряжение на разъём не подаётся и не происходит конфликта двух источников.
В случае, если нет задачи менять роль устройства в процессе работы, а также не требуется определения ориентации кабеля, можно выполнить вариант проще, без микросхемы вообще. Допустим, ваше устройство играет строго одну роль — UFP/Power Sink, например, это флешка. В таком случае достаточно выводы СС1 и СС2 на разъёме подключить через 5,1 кОм на землю.
В случае, если ваше устройство играет только роль DFP/Power source и оно должно подключаться к устройству USB-C Dual Role, также можно обойтись резисторами. В этом случае подбираем номиналы в зависимости от напряжения источника, к которому подключаем резисторы.
| Ток на СС-линии | Режим питания | Подтяжка к 5 В, кОм | Подтяжка к 3,3 В, кОм |
|---|---|---|---|
| 80 uA | 5V / 0. 9 A |
56 ± 20% | 36 ± 20% |
| 180 uA | 5V / 1.5 A | 22 ± 5% | 12 ± 5% |
| 330 uA | 5V / 3 A | 10 ± 5% | 4,7 ± 5% |
Мы рассмотрели относительно простые и дешёвые способы сделать наше устройство совместимым с другими USB-C устройствами, когда мы хотим использовать лишь часть функций спецификации. Этим возможности стандарта не ограничиваются, Power Delivery и Альтернативные режимы существенно расширяют доступные функции, но удорожают и усложняют устройство. Об этих возможностях расскажу в следующих статьях.
Защита и фильтрация для линий USB Type-C
27 марта 2020
потребительская электроникаSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыдискретные полупроводникиUSBUSB type-cUSB PDTVS-диодФильтрация
Высокоскоростной разъем USB Type-C с тремя группами контактов для дифференциальных линий, двумя парами контактов для линий управления и контактами для линии питания – новый стандарт интерфейса USB.
Но его применение требует особых мер для фильтрации сигнала и защиты от внешних воздействий. Компания STMicroelectronics предлагает краткое руководство по этим мерам.
Интерфейс USB появился на рынке почти два десятилетия назад и в настоящее время повсеместно используется для соединения различных электронных устройств. Однако большое число различных вариантов соединителей (тип A, тип B, мини-USB, микро-USB и так далее) затрудняет выбор подходящего кабеля. Для устранения этой путаницы был разработан новый разъем USB Type-C, обеспечивающий передачу как аудиосигналов, так и обычных данных со скоростью до 5 или 10 Гбит/с.
Поскольку соединители по своей природе являются связующим со внешним миром звеном, они подвержены воздействию различных помех, которые могут нарушить работу приемопередатчиков. Кроме того, высокоскоростные линии связи излучают радиопомехи, для подавления которых необходимо применять соответствующие фильтры.
Компания STMicroelectronics разработала линейку компонентов защиты и синфазных фильтров, удобных в применении и имеющих оптимальные характеристики.
В данной статье описываются различные решения, которые упростят задачи разработчика.
Разъем USB Type-C
Общие сведения
В разъеме USB Type-C предусмотрены три группы контактов для подключения дифференциальных линий, использующихся в различных интерфейсах, таких как USB 3.1, Display Port, Thunder Bolt™, PCI Express и других, и две пары контактов для линий управления (канал конфигурации и дополнительный канал). Кроме того, в разъеме предусмотрены контакты для линии питания VBUS, по которой может передаваться достаточно большой ток для зарядки аккумуляторов и питания устройств (рисунок 1).
Рис. 1. Линии связи в разъеме USB Type-C
Скорость передачи по линиям данных может достигать 10 Гбит/с, что, в частности, позволяет передавать видео высокого разрешения.
Этот разъем очень компактен. Он идеально подходит для применения в мобильных устройствах, таких как планшеты, ноутбуки, фаблеты и даже смартфоны. Внешний вид гнезда USB Type-C показан на рисунке 2.
Рис. 2. Гнездо USB Type-C
На рисунке 3 приведена схема расположения контактов гнезда USB Type-C.
Рис. 3. Расположение контактов гнезда USB Type-C (вид спереди)
Назначение всех контактов разъема указано в таблице 1.
Таблица 1. Назначение контактов разъема USB Type-С
| Контакт | Название | Описание |
|---|---|---|
| A1/A12 | GND | Общий провод |
| B1/B12 | ||
| A4/A9 | VBUS | Питание |
| B4/B9 | ||
| A2/A3
| TX1+/TX1- | Дифференциальная пара Super Speed №1 (передача) |
| B11 / B10 | RX1+/RX1- | Дифференциальная пара Super Speed №1 (прием) |
| B2/B3 | TX2+/TX2- | Дифференциальная пара Super Speed №2 (передача) |
| A11/A10 | RX2+/RX2- | Дифференциальная пара Super Speed №2 (прием) |
| A6/B6 | D+/D- | Положительная линия дифференциальной пары USB 2. 0 (положение 1 и 2) |
| A7/B7 | Отрицательная линия дифференциальной пары USB 2.0 (положение 1 и 2) | |
| A5/B5 | CC1/CC2 | Применение для обнаружения подключения и конфигурации интерфейса. Один из контактов CC также используется как VCONN для питания электронных устройств |
| A8/B8 | SBU1/SBU2 | Дополнительный канал: Общий. Микрофон в режиме работы с аналоговой гарнитурой. Прочие функции |
Кроме того, разъем USB Type-C соответствует спецификации USB Power Delivery, которая допускает питание электронных устройств током до 5 А и напряжением до 20 В.
Питание. Профили электропитания
По стандарту USB напряжение питания от хоста к устройству или от зарядного устройства к хосту/устройству передается по линии VBUS.
Поддерживаемые профили электропитания указаны в таблице 2.
Таблица 2. Профили электропитания
| Режим работы | Номинальное напряжение, В | Максимальный ток, А | Примечания |
|---|---|---|---|
USB 2. 0 | 5 | 0,5 | Ток по умолчанию, согласно базовым спецификациям |
| USB 3.1 | 5 | 0,9 | |
| USB BC 1.2 | 5 | До 1,5 | Устаревшая спецификация для зарядных устройств |
| USB Type-C, ток до 1,5 A | 5 | 1,5 | Поддерживаются более энергоемкие устройства |
| USB Type-C, ток до 3,0 A | 5 | 3 | Поддерживаются более энергоемкие устройства |
| USB PD | Конфигурируется, до 20 | Конфигурируется, до 5 | Контролируется направление передачи энергии и уровень мощности |
USB 2.0 и USB 3.1 – единственные интерфейсы, имеющие номинальное напряжение по умолчанию, равное 5 В и обеспечивающие ток до 900 мА. Устаревшие зарядные устройства могут обеспечивать более высокий ток вплоть до 1,5 А.
Линии канала конфигурации (CC1 и CC2) используются для определения ориентации кабеля в гнезде.
Кроме того, величина напряжения в линии CC сообщает устройству максимальное значение тока, который может отдать источник. Это напряжение формируется подтяжкой к питанию на стороне хоста (22 кОм ±5% для 1,5 А и 10 кОм ± 5% для 3 А) совместно с подтяжкой к общему проводу на стороне устройства (5,1 кОм ±10%).
Стандарт USB Power Delivery
По стандарту USB Power Delivery (USB PD) расширенное согласование параметров электропитания для токов до 5 А и напряжений до 20 В (выбор профиля питания и назначение ролей «источник/потребитель») производится посредством обмена данными по линии CC. Передача ведется на скорости 300 кбит/с с использованием BMC-кодирования (Biphase-Mark Code – код с представлением единицы двойным изменением фазы).
Профили электропитания USB PD, определяющие значения напряжения и тока для каждого уровня мощности, зафиксированы в 3-й редакции стандарта.
Эти профили определяют следующие номинальные значения напряжения:
- 5 В для обеспечения максимальной мощности 15 Вт;
- 9 В для обеспечения максимальной мощности 27 Вт;
- 15 В для обеспечения максимальной мощности 45 Вт;
- 20 В для обеспечения мощности до 100 Вт включительно, однако для передачи мощности более 60 Вт требуется специальный кабель, рассчитанный на ток 5 А.
На рисунке 4 показаны максимальные значения тока и уровни мощности, которые может обеспечить источник питания, совместимый со стандартом USB PD.
Рис. 4. Характеристики источников питания
Максимальная мощность составляет 100 Вт. Это значение соответствует требованиям безопасности, определенным в стандарте IEC/UL 60950.
На рисунке 5 показано взаимодействие хоста с устройством по линии CC согласно стандарту USBPD, а также подключение конфигурационных резисторов подтяжки к линии питания (Rp) и общему проводу (Rd).
Рис. 5. Взаимодействие хоста и устройства по стандарту USB PD
Гнездо USB Type-C выдерживает ток до 5 A, однако кабели Type-C рассчитаны на 3 A. Поэтому кабели, способные передавать токи больше 3 А, обязательно содержат специальную микросхему электронного маркера.
Дифференциальные линии
В гнезде USB Type-C имеются контакты для подключения шести дифференциальных пар, обеспечивающих высокоскоростную передачу сигналов:
- две дифференциальные пары предназначены для интерфейса USB 2. 0 со скоростью передачи до 480 Мбит/с;
- четыре дифференциальные пары предназначены для интерфейса USB 3.1 Gen 2 со скоростью передачи до 10 Гбит/с.
0 со скоростью передачи до 480 Мбит/с;Все хосты и устройства с разъемами USB Type-C имеют интерфейс USB. Согласно стандарту USB Type-C альтернативные режимы разъема могут использоваться только в случае непосредственного соединения хоста и устройства. При подключении устройства через USB-концентратор использование альтернативных режимов запрещено.
Интерфейс USB
Интерфейс USB 2.0
Разъем USB Type-C имеет четыре контакта A6, A7, B6 и B7, предназначенных для организации интерфейса USB 2.0. В вилке USB Type-C контакты B6 (D+) и B7 (D-) отсутствуют. В зависимости от положения кабеля в гнезде, используется одна из дифференциальных пар A6/A7 или B6/B7.
Контакты Dp1 (A6) и Dp2 (B6) могут быть соединены друг с другом. Соединительная дорожка на печатной плате должна располагаться как можно ближе к разъему, чтобы ее длина была не более 3,5 мм, как указано в стандарте.
Контакты Dn1 (A7) и Dn2 (B7) тоже могут быть соединены друг с другом.
Сигнал на линиях данных Dp/Dn соответствует требованиям стандарта USB 2.0, в том числе маске глазковой диаграммы (рисунок 6), измеряемой на выводах разъема тестируемого устройства.
Рис. 6. Маска глазковой диаграммы (шаблон 1) интерфейса USB 2.0 high-speed (480 Мбит/с)
Линии передачи сигнала Super Speed соответствуют требованиям стандарта USB 3.1. В стандарте USB 3.1 приводятся маски глазковой диаграммы для спецификации USB Gen 1 со скоростью передачи данных 5 Гбит/с (рисунок 7) и для спецификации USB Gen 2 со скоростью передачи данных 10 Гбит/с (рисунок 8). Глазковая диаграмма формируется по результатам измерений сигнала на конце эталонного кабеля и после эквалайзера.
Рис. 7. Маска глазковой диаграммы USB 3.1 Gen 1, 5 Гбит/с
В стандартном режиме используется только одна дифференциальная пара на передачу (Tx) и одна на прием (Rx). В альтернативном режиме одновременно могут использоваться все дифференциальные пары Tx и Rx.
Рис. 8. Маска глазковой диаграммы USB 3.1 Gen 2, 10 Гбит/с
Альтернативный режим
Альтернативный режим позволяет передавать по кабелю USB Type-C и, соответственно, через разъемы USB Type-C, сигналы, отличные от USB. В этой конфигурации могут использоваться все высокоскоростные линии передачи.
Для настройки альтернативного режима используется канал конфигурации (контакты CC1 и CC2).
Проблемы электромагнитной совместимости
Из-за быстрого изменения сигналов в высокоскоростных линиях передачи данных возникает опасность излучения электромагнитных помех, которые могут отрицательно сказываться на работе мобильных устройств, в частности, серьезно ухудшать чувствительность приемного тракта. В таких случаях рекомендуется устанавливать в линии данных синфазные фильтры.
Поскольку линия VBUS и линии управления подвержены внешним воздействиям, в них тоже должны присутствовать устройства защиты и фильтры. Указанные компоненты выбираются с учетом следующих факторов:
- Скорость передачи данных и уровни напряжения. Эти параметры определяют минимальную ширину полосы пропускания дифференциального сигнала, которая должна соответствовать маскам глазковых диаграмм, указанных в различных стандартах.
- Подавление синфазного сигнала. Уровень подавления синфазных помех должен быть не менее -20 дБ в диапазоне частот, используемом устройством (0,7…2,7 ГГц в мобильных устройствах, 2,4/5 ГГц для оборудования Wi-Fi).
- Защита. Характеристики ограничения устройств защиты должны обеспечивать безопасную работу приемопередатчиков и гарантировать устойчивость устройства к электростатическим разрядам, согласно стандарту МЭК 61000-4-2 вплоть до четвертой степени жесткости и, в ряде случаев (для линии VBUS), к выбросам напряжений, согласно стандарту МЭК 61000-4-5.
Эти параметры определяют минимальную ширину полосы пропускания дифференциального сигнала, которая должна соответствовать маскам глазковых диаграмм, указанных в различных стандартах.Защита шины питания
Линия VBUS может использоваться как для зарядки мобильных устройств, так и для питания других устройств/хостов.
Согласно европейскому стандарту EN 55024 «Оборудование информационных технологий.
Характеристики помехоустойчивости. Нормы и методы измерения», оборудование должно быть устойчиво к контактному электростатическому разряду амплитудой 4 кВ и воздушному электростатическому разряду амплитудой 8 кВ, в соответствии с критерием B (временное нарушение функционирования и самовосстановление работоспособности после прекращения помехи) по стандарту МЭК 61000-4-2.
Из-за нестабильности выходного напряжения источника питания в линии могут возникать перенапряжения. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать защитные TVS-диоды, выдерживающие импульсные токи больших значений.
Рабочее напряжение применяемых TVS-диодов должно соответствовать максимальному напряжению VBUS, а их емкость в данном случае некритична, поскольку защищается линия постоянного тока.
Специально для защиты устройств с максимальным напряжением VBUS, равным 5 В, компания STMicroelectronics разработала TVS-диод ESDA7P60-1U1M.
На рисунке 9 показана реакция ESDA7P60-1U1M на импульс электростатического разряда амплитудой 8 кВ.
Рис. 9. Реакция ESDA7P60-1U1M на положительный импульс контактного электростатического разряда амплитудой 8 кВ по стандарту МЭК 61000-4-2
Этот защитный TVS-диод ограничивает пиковое значение импульса электростатического разряда амплитудой 8 кВ на очень небольшом уровне, равном 18,5 В, а через 30 нс после формирования импульса напряжение ограничения составляет всего лишь 7,5 В, что очень близко к максимальному рабочему напряжению (5,5 В). Оба значения свидетельствуют об очень хорошей защите линии VBUS с номинальным напряжением 5 В.
На рисунке 10 показана реакция ESDA7P60-1U1M на бросок тока 60 A 8/20 мкс и итоговое напряжение в линии. Эти кривые иллюстрируют устойчивость к большому току (для данного диода пиковый импульсный ток составляет 60 А) и соответствующее малое значение напряжения ограничения (10,1 В при максимальном токе). Итоговая пиковая импульсная мощность составляет 600 Вт. Это не ключевой параметр, хотя иногда он и используется для отбора TVS-диодов.
В идеале максимально допустимый ток должен быть как можно больше (надежность защиты), а напряжение ограничения – как можно меньше (качество защиты).
Рис. 10. Реакция ESDA7P60-1U1M на импульс тока 60 A, 8/20 мкс по стандарту МЭК 61000-4-5
Защита линий канала конфигурации
Линии канала конфигурации используются не только для обнаружения соединения между портами DFP-UFP и управления этим соединением, но и для передачи данных по стандарту USB PD с использованием BMC-кодирования. Защита этих линий должна иметь следующие параметры:
- максимальное напряжение 5,5 В при использовании VCONN и отсутствии отрицательного сигнала;
- емкость защиты и емкость приемника должны быть в диапазоне 200…600 пФ.
Для защиты указанных линий требуется классическая схема защиты от ЭСР на основе однонаправленных защитных диодов без особых требований к их емкости и величине пикового импульсного тока.
Защита дифференциальных линий от электростатических разрядов
Устройства защиты дифференциальных линий следует выбирать очень тщательно, чтобы они не оказывали заметного влияния на передаваемые по этим линиям сигналы.
В частности, ширина полосы частот устройства защиты, определяемая его граничной частотой, должна быть больше ширины полосы частот сигнала.
Ширина полосы частот сигнала
Ширина полосы частот апериодического трапецеидального сигнала зависит от минимального значения времени нарастания или спада сигнала, согласно формулам 1 или 2:
$$BW=\frac{0.35}{t_{r(10\%-90\%)}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
или
$$BW=\frac{0.22}{t_{r(20\%-80\%)}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
Чтобы минимизировать влияние защиты от ЭСР на передаваемый сигнал, полоса частот устройства защиты должна быть шире полосы частот сигнала.
Влияние устройства защиты от ЭСР на время нарастания передаваемого сигнала
Собственная емкость устройства защиты от ЭСР влияет на время нарастания сигнала и отклик TDR. Приведенная ниже формула 3 описывает время нарастания сигнала на выходе устройства защиты от ЭСР при подаче на вход этого устройства прямоугольного сигнала:
$$t_{r\_ESD}=0.
2}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$
Таким образом, если мы зададимся условием, что время нарастания сигнала при добавлении защиты от ЭСР не должно увеличиться более чем на 10% от первоначального значения, то максимальное значение емкости устройства защиты для заданного времени нарастания будет определяться по формуле 6:
$$C_{ESD\_max}=\frac{\sqrt{0.21}\times t_{r\_signal}}{Z_{0}\times 0.35\times \pi}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$
Минимальное значение граничной частоты устройства защиты определяется по формуле 7:
$$f_{-3dB\_ESD\_min}=\frac{0.35}{\sqrt{0.21}\times t_{r\_signal}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$
На рисунке 11 приведена характеристика ослабления сборки HSP051-4M10. Частота среза в данном случае составляет 14,5 ГГц.
Рис. 11. Характеристика ослабления HSP051-4M10
Глазковые диаграммы
Влияние устройства защиты на передаваемый сигнал контролируется по глазковым диаграммам, получаемым во время сертификационных испытаний.
На рисунках 12…14 приведены глазковые диаграммы для разных интерфейсов, полученные при установленных устройствах защиты от ЭСР и без них.
Рис. 12. Глазковые диаграммы с/без HSP062-2M6 с маской (шаблон 1) для интерфейса USB 2.0 (скорость передачи 480 Мбит/с)
Рис. 13. Глазковые диаграммы с/без HSP051-4M10 для интерфейса USB 3.1 Gen 1 (скорость передачи 5 Гбит/с) после эталонного кабеля и эквалайзера
Рис. 14. Глазковые диаграммы с/без HSP051-4M10 для интерфейса USB 3.1 Gen2 (скорость передачи 10 Гбит/с) после эталонного кабеля и эквалайзера
Устройства защиты от электростатических разрядов обычно располагаются рядом с разъемом. Пример расположения этих компонентов показан на рисунке 15.
Рис. 15. Расположение устройств защиты от ЭСР на печатной плате
Борьба со снижением чувствительности и подавление помех: синфазные фильтры
Выбираем оптимальную ширину полосы пропускания
Как уже было отмечено, требуемая ширина полосы пропускания синфазного фильтра определяется максимальным значением скорости передачи данных.
Чтобы быть уверенным в том, что фильтр соответствует требованиям стандарта, в документации на фильтр приводятся глазковые диаграммы, снятые в различных стандартных конфигурациях. На рисунке 16 приведены диаграммы для фильтра ECMF04-4HSWM10 при его тестировании с интерфейсами USB 3.1 Gen 1 и HDMI 2.0. Эти диаграммы не выходят за границы соответствующих масок, таким образом, данный фильтр без проблем можно использовать с этими интерфейсами.
Рис. 16. Глазковые диаграммы для фильтра ECMF04-4HSWM10
Подавление синфазных помех
На каждую линию высокоскоростной передачи данных устанавливается отдельный синфазный фильтр, рассчитанный на определенный диапазон частот, помехи в котором могут отрицательно сказаться на работе устройства. На рисунке 17 приведены графики ослабления синфазного сигнала SCC21 для разных синфазных фильтров.
Рис. 17. Типовые характеристики ослабления синфазного сигнала фильтров семейств ECMF/CMF (эталонная характеристика выделена красным цветом)
Фиолетовая линия соответствует оптимальной характеристике подавления синфазного сигнала: -20 дБ во всем диапазоне частот.
К примеру, если из-за высокого уровня помех, возникающих при передаче данных, уменьшается чувствительность устройства в диапазоне LTE RX Band-5, то необходимо выбирать синфазный фильтр со светло-зеленой линией характеристики SCC21. В этом случае уровень помех в указанном диапазоне частот будет не более -30 дБ. Если же возникают проблемы при приеме сигнала Wi-Fi диапазона 2,4 ГГц, рекомендуется использовать синфазный фильтр с синей линией характеристики SCC21. Такой фильтр эффективно подавит помехи в указанном диапазоне частот до уровня не более -35 дБ.
Топология печатной платы
Фильтры просты в применении и облегчают трассировку дорожек, подходящих к разъему USB Type-C. Это позволяет сохранить дифференциальный импеданс линии передачи, равный 100 или 90 Ом.
На рисунке 18 представлена типичная топология печатной платы в месте разъема USB Type-C.
Рис. 18. Пример компоновки с тремя синфазными фильтрами на высокоскоростных линиях передачи
Польза синфазных фильтров
На рисунке 19 показан уровень помех, излучаемых кабелем USB 3.
1 Gen 1 в диапазоне 1,5…3 ГГц. Нетрудно заметить, что разница между пиковыми значениями на определенных частотах и уровнем собственных шумов может достигать 20 дБ. Поскольку эти пики попадают в тот же диапазон частот, который используется Bluetooth или Wi-Fi, чувствительность приемного тракта ухудшается, что приводит к разрыву соединения.
Рис. 19. Помехи, генерируемые кабелем USB 3.0 Gen 1
Помехи такого рода можно подавить синфазными фильтрами. Для примера мы разместили синфазные фильтры ECMF04-4HSWM10 семейства ECMF™ с центральной частотой 2 ГГц на обоих концах линии связи. Из типовой характеристики ослабления SCC21 этого фильтра, приведенной на рисунке 20, можно увидеть, что в диапазоне 1,8…2,9 ГГц уровень помех снижается до значения меньше -25 дБ.
Рис. 20. Типовая характеристика ослабления фильтра ECMF04-4HSWM10, предназначенного для устройств диапазона 2,4 ГГЦ
На рисунке 21 продемонстрировано снижение уровня синфазных помех за счет применения фильтра семейства ECMF.
Рис. 21. Красный график – уровень излучаемых помех при наличии в линии USB 3.1 Gen 1 синфазных фильтров
Среднее значение коэффициента передачи составляет около -25 дБ. Однако пока неизвестно, как применение фильтра скажется на работе реального устройства.
Рассмотрим влияние синфазных фильтров на работу беспроводной сети Wi-Fi. Возьмем подключенный по Wi-Fi к интернету ноутбук, к которому подсоединено внешнее устройство с интерфейсом USB 3.1 Gen 1. Во время обмена по шине USB 3.1 Gen 1 при слабом сигнале беспроводной сети, уровень которого определяется по значению параметра RSSI, Wi-Fi-соединение разрывается (рисунок 22). Это происходит из-за того, что помехи, излучаемые цифровой линией связи, глушат радиосигнал.
Рис. 22. Параметр RSSI сигнала Wi-Fi во время обмена по шине USB 3.1 Gen 1 (окно «InSSIDer»)
На рисунке 23 влияние помех на сигнал Wi-Fi показано более детально. Как видно из данного рисунка, во время передачи данных по шине USB 3.1 Gen 1 уровень RSSI (желтая кривая) уменьшается на 11 дБ, в результате чего сигнал WI-Fi с низким уровнем пропадает (оранжевая кривая).
Рис. 23. Снижение чувствительности приемника Wi-Fi во время передачи данных по шине USB 3.1 (окно «InSSIDer»)
Если же в линию передачи данных поместить синфазные фильтры (в данном случае – ECMF02-2HSMX6), то работа сети Wi-Fi не нарушается (рисунок 24).
Рис. 24. Обеспечение надежной работы сети Wi-Fi
В случае применения синфазных фильтров активность интерфейса USB 3.1 Gen 1 практически не влияет на работу Wi-Fi при высоком уровне сигнала, и в то же время эти фильтры обеспечивают бесперебойную работу сети Wi-Fi в условиях слабого сигнала (рисунок 25).
Рис. 25. Надежная работа сети Wi-Fi во время передачи данных по интерфейсу USB 3.1 Gen 1
Кроме того, в фильтрах семейства ECMF имеется встроенная защита от электростатических разрядов. Это позволяет отказаться от установки отдельных TVS-диодов на линиях данных, что экономит место на печатной плате. В некоторых моделях этих фильтров также имеется защита от высокоэнергетических импульсов током до 60 А (8/20 мкс) для линии VBUS и дополнительный TVS-диод, который можно применить для защиты линии управления (ECMF2-0730V12M12).
Также синфазные фильтры этого семейства ограничивают ток в линии за счет своего внутреннего сопротивления постоянному току RDC, тем самым обеспечивая дополнительную защиту приемопередатчика (рисунок 26).
Рис. 26. Влияние сопротивления постоянному току RDC синфазного фильтра
На рисунке 27 приведены типовые графики ограничения напряжения фильтров семейства ECMF при испытании на устойчивость к ЭСР по стандарту МЭК61000-4-2 (контактный разряд ±8 кВ). Как видно из рисунка, через 30 нс после формирования разряда напряжение ограничивается на уровне менее 19 В при положительном импульсе и менее 6,5 В при отрицательном импульсе.
Рис. 27. Типовые характеристики ограничения напряжения фильтров семейства ECMF
Эти результаты намного лучше тех, которые обеспечивают металл-оксидные варисторы (MOV), встраиваемые в некоторые синфазные фильтры, изготовленные по технологии LTCC. Для сравнения на рисунке 28 приведены характеристики ограничения напряжения защитных устройств обоих типов, характеристике фильтров семейства ECMF соответствует график зеленого цвета.
Рис. 28. Сравнение характеристик ограничения ECMF и LTCC + MOV (МЭК61000-4-2 ±8 кВ, контактный разряд)
Передача звука
Через разъем USB Type-C можно передавать аудиосигналы. На рисунке 29 приведена типовая схема переходника на аудиоразъем 3,5 мм. В данном случае для передачи сигналов правого и левого каналов используются, соответственно, линии Dp1/Dn1 [A6-A7/B6-B7] интерфейса USB 2.0.
Рис. 29. Переходник на аудиоразъем 3,5 мм – USB Type-C
Необходимо, чтобы двунаправленные устройства защиты на линиях USB соответствовали напряжению аудиосигнала, а также не вызывали искажений сигнала из-за демодуляции на прямо смещенном p-n-переходе. Из-за наводок, вызванных TDMA-сигналами стандарта GSM, в аудиосигнале могут возникать искажения, проявляющиеся в виде неприятного гула. Параметры некоторых компонентов семейства ECMF2, например, ECMF2-0730V12M12, полностью соответствуют указанным требованиям.
Оценочные платы
Чтобы разработчики могли без больших усилий ознакомиться с возможностями наших компонентов, мы предлагаем несколько оценочных плат различной конфигурации, например, с защитой на всех линиях и с защитой и фильтрацией.
Внешний вид оценочных плат показан на рисунке 30.
Рис. 30. Оценочные платы с разъемом USB Type-C
Заключение
Разъем USB Type-C – это будущее шины USB. Данный компактный разъем поддерживает высокоскоростную передачу данных, передачу аудиосигнала, зарядку устройств большим током, а также имеет симметричную конструкцию.
Несмотря на положительные качества USB Type-C, необходимо обеспечить защиту и фильтрацию линий, подключенных к его контактам, от внешних воздействий.
Компания STMicroelectronics предлагает широкий спектр TVS-диодов и синфазных фильтров, среди которых разработчик сможет найти подходящие компоненты для защиты от ЭМП и ЭСР, обеспечивающие надежную работу и хорошие эксплуатационные характеристики устройства.
Оригинал статьи
Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ
•••
Проведение теста— Блог Teledyne LeCroy: Что происходит при подключении кабеля USB-C
Разъем USB Type-C® разработан таким образом, чтобы пользователю было очень просто его использовать: вы вставляете его в любой ориентации, и множество сервисы просто «работают».
Несмотря на простоту использования, это сложный коннектор для программирования и тестирования, за которым стоит очень сложная система протоколов. Существует USB-питание (USB-PD) и несколько скоростей доставки USB-данных от USB 2.0 до USB4®, указанные Форумом разработчиков USB (USB-IF®). Существуют протоколы, отличные от USB, такие как DisplayPort™, мультимедийный интерфейс высокой четкости (HDMI™), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe®), Base-T Ethernet и Thunderbolt™.
Итак, что на самом деле происходит при подключении кабеля USB-C? Чтобы понять это, сначала давайте взглянем на сигналы и назначение контактов в гнезде разъема USB-C (рис. 1).
Рисунок 1. Назначение контактов разъема USB-C, показывающее ключевые сигналы, используемые для связи между устройствами Связанные контакты имеют соответствующие цветные накладки. |
Таблица 1: Группы сигналов разъема USB-C. |
В таблице 1 описаны все группы сигналов на разъеме USB-C. Цветовые наложения соответствуют изображенным на рисунке 1.
Итак, теперь, когда вы имеете некоторое представление о том, с чем мы работаем, давайте немного поговорим о том, что происходит при подключении кабеля USB Type-C. Поскольку любая часть оборудования на любом конце кабеля потенциально может быть хостом или устройством, источником питания (источником) или потребителем энергии (приемником), розетка USB-C, вилка и кабель проходят процесс настройки по сравнению с конфигурацией. каналов (CC1 и CC2) для определения некоторых основных функций кабеля:
- Подсоединение/отсоединение источника к приемнику
- Ориентация штекера/скручивание кабеля
- Начальная связь питания (от источника к приемнику) и данных (от хоста к устройству)
- Если кабель является активным кабелем, для которого требуется VCONN
- Текущее состояние и использование VBUS USB Type-C
- Связь USB-PD
- Конфигурация еще не определенных функциональных расширений
Во-первых, CC1/CC2 используются портом хоста или концентратора для обнаружения подключения, когда один из них контактов определяет определенное сопротивление на землю (GND).
Отсоединение обнаруживается, когда тот же контакт больше не подключен к GND. Это также определяет ориентацию разъема и, следовательно, конфигурацию канала: мы передаем по паре TX1 в A2 и A3 или по паре TX2 в B2 и B3 и так далее?
После того, как соединение установлено, хост-порт обеспечивает по умолчанию 5 вольт начального питания на линии VBUS. При доступном начальном питании определяется потребность активного кабеля в дополнительном питании VCONN, которое подается по неиспользуемой линии CC.
| Рис. 2: Первоначальная установка мощности 5 В линии VBUS, с последующим согласованием контракта мощности (20 В) через сигнальную линию CC1. |
В этот момент контракт на поставку электроэнергии согласовывается по активной линии CC с использованием протокола энергоснабжения (USB-PD). USB-PD использует данные Bi-phase Mark Coded (BMC), передаваемые по проводу CC, для связи между портами USB Type-C.
Эта связь устанавливает постоянный источник питания и зарядку аккумулятора, как показано на рис. 2.
Теперь мы подошли к обучению канала передачи данных. Этот процесс определяет фактическую связь, которая будет происходить по кабелю USB-C, поскольку любая система на любом конце может обмениваться данными по любому количеству протоколов с разной скоростью, точно так же, как люди могут говорить на нескольких языках с разной степенью беглости. . Существует широкий спектр вариантов связи, каждый из которых имеет свой собственный процесс обучения. Самым базовым является USB 2.0, который согласовывается с использованием линий передачи данных D+ и D-. Существует также USB 3.2, который согласовывается с использованием высокоскоростных упорядоченных наборов по линиям TX и RX.
Обучение канала USB4 включает в себя сложный конечный автомат с управлением боковой полосой и согласованием подсостояний обучения, проводимым по каналу AUX (дифференциальные боковые полосы SBU1 минус SBU2), и согласованием данных с использованием упорядоченных наборов по дорожкам Tx и Rx.
Боковые полосы — это двунаправленные полудуплексные каналы со скоростью 1 Мбит/с. Полосы Tx/Rx представляют собой дифференциальные пары, образующие однонаправленный канал с высокой пропускной способностью, используемый для передачи видео- и аудиосигналов.
Спецификация USB4 поддерживает альтернативные режимы (альтернативные режимы) для высокоскоростной передачи данных по кабелям USB-C, что обеспечивает совместимость множества устройств. Протоколы, поддерживаемые в альтернативном режиме, включают HDMI, DisplayPort, PCIe, Ethernet и Thunderbolt. Только для DisplayPort существует три разных стандарта, которые определяют, как создается ссылка при использовании DisplayPort через Type-C.
| Рис. 3: Последовательность сигнальных событий во время инициализации соединения DisplayPort в альтернативном режиме. Сигнал USB-PD показывает активность на линии CC. Сигнал DP-AUX показывает линии SBU.  |
Во-первых, альтернативный режим инициируется через USB-PD по линии CC, и это определяется спецификацией USB Power Delivery. Это действие показано на рис. 3.
После запуска альтернативного режима процесс обучения соединения DisplayPort начинается по линиям SBU с использованием протокола DP-AUX, как определено спецификацией VESA DisplayPort через USB Type-C. Установлены новые назначения контактов, а также будет ли кабель работать как четыре линии DisplayPort или так называемый тип 2×2, который поддерживает две линии DisplayPort и путь для высокоскоростных данных USB 3.2. Канал AUX продолжает обучение физического уровня для DisplayPort, включая данные конфигурации DisplayPort, такие как защита от копирования (HDCP) и идентификация устройства (EDID).
Наконец, передача данных DisplayPort по основному каналу согласовывается в соответствии с основной спецификацией VESA DisplayPort. При этом линии SBU используются по-разному (т.
е. SBU1 минус SBU2) для обучения канала, а затем линии Tx/Rx для транзакций данных.
Если разработчик решил включить полосу USB 3.2 с вашим DisplayPort, он также проходит собственное обучение основного канала по полосам Tx/Rx перед началом транзакций данных.
Помните, что каждое из этих согласований, происходящих после подключения кабеля USB-C, использует разные стандарты, каждый со своим собственным протоколом и требованиями к тестированию на физическом уровне, опубликованными разными сертифицирующими организациями. Итак, вы можете видеть, что за разъемом USB-C стоит множество технологий, делающих его простым для пользователя, но сложным для разработчика. К счастью, у Teledyne LeCroy есть все, что нужно разработчикам для поддержания потока данных USB-C, от декодеров физического уровня до программного обеспечения для проверки электрического соответствия, приспособлений, позволяющих анализировать живые каналы, до анализаторов протокола USB и тренажеров.
Узнайте больше на веб-семинаре по запросу «Введение в тестирование физического уровня USB Type-C».
См. также:
Тестирование USB4 в альтернативном режиме: DP-AUX и USB-PD
Тестирование DisplayPort 2.0 и USB4 через разъемы Type-C
TDME Primer: Автоматические измерения синхронизации (USB-PD и DP-AUX)
Протокол Power Delivery 2.0 в действии
USB Type-C и передача сообщений о подаче питания
Обнаружение кабеля USB Type-C
A Взгляд на USB Type-C и подачу питания
USB | ASSMANN WSW
USB | АССМАНН ВЮЗ- Соединители
- Термический
Управление - Кабель
Сборки - Возможности
201 товар в
USB Разъемы USB от компонентов ASSMANN WSW представляют собой поляризованные разъемы, которые нагружаются 4 контактами. Существуют различные приложения для этого типа разъема ввода-вывода или интерфейсного разъема, но в первую очередь вы найдете этот тип разъема ввода-вывода на рынке EDP и компьютерных аксессуаров, а также на потребительском рынке, например: разработанные для фотоустройств (цифровые камеры и аксессуары).
узнать больше
Задняя часть
Фильтр
группа продуктов
интервал
количество выводов
тип контакта
номинальный ток
0,50 А 1,00 А 1,25 А 1,50 А 1,80 А 3,00 А 5,00 А 7,00 А Возможности
направление контакта
покрытие
золото Золото 15µ» селективная вспышка Золото Золото 15 мкм селективное олово Золото 30µ» Золото 30µ» селективная вспышка Золото Золото 30 мкм селективное олово Золотая вспышка Золото селективное олово Палладий 30µ» + золото 2µ» селективное олово Возможности
вариант модели
стиль-A стиль-А/стиль-А стиль-A/стиль-B стиль-B стиль-C стиль-микро-AB стиль-микро-B стиль-мини-B Возможности
Производительность
USB 2.0 (480 Мбит/с) USB 2.1 (480 Мбит/с) USB 3.1 Gen1 (5 Гбит/с) USB 3.2 Gen1 (5 Гбит/с) USB 3.2 Gen2 (10 Гбит/с) USB 4.0 Gen3 (40 Гбит/с) Только USB-зарядка Только зарядка через USB (только зарядка через USB) Возможности
длина контакта со стороны пайки
0,55 мм 0,60 мм 0,65 мм 0,85 мм 1,20 мм 1,50 мм 1,60 мм 1,70 мм 1,80 мм 2,00 мм 2,15 мм 2,29мм 2,30 мм 2,40 мм 2,50 мм 2,55 мм 2,60 мм 2,90 мм 2,96 мм 3,00 мм 3,10 мм 3,20 мм Возможности
функция
2 порта 4 порта крышка перевернутое назначение контактов Вассердихт водонепроницаемый зажим для проволоки Возможности
Изолятор
Высокотемпературный.
УЛ94В-0
ЛКП UL94В-0
ПА9Т УЛ94В-0
ПА66 УЛ94В-0
ПБТ UL94 V-0
ПБТ UL94V-0
Термопласт UL94HB
термопласт UL94V-0
Возможности
цвет
Информация о продукте
USB
Помимо некоторых специальных соединителей, разработанных для специальных, очень специфических приложений, доступны стандартные стили A в соответствии с DIN IEC 61076-3-107 и B в соответствии с DIN IEC 61076-3-108. полка. Для приложений с ограниченным доступным пространством компоненты ASSMANN WSW рекомендуют использовать разъемы MINI-USB. Ассортимент продукции включает различные конструкции изделий с 4 или 5 контактами. Кроме того, компоненты ASSMANN WSW предлагают разъем USB -12V и разъем USB -24V для промышленного применения. ИЭЭЭ 1394 разъема компонентов ASSMANN WSW основаны на оригинальной конструкции разъема USB, но могут рассматриваться как передовая технология. Разъемы интерфейса IEEE 1394 в основном используются для процессов быстрого обмена данными между компьютерами и их периферийными устройствами, но также применимы к другим промышленным и автомобильным приложениям.
