Распиновка usb на плате. Распиновка USB-разъемов: особенности подключения и монтажа на плате

Как правильно подключить USB-разъем к печатной плате. Какие бывают типы USB-разъемов и как они распаяны. На что обратить внимание при монтаже USB-портов на плате.

Содержание

Основные типы USB-разъемов и их распиновка

USB-разъемы бывают нескольких типов, каждый из которых имеет свою распиновку контактов:

USB Type-A — стандартный плоский разъем с 4 контактами
USB Type-B — квадратный разъем, используемый в принтерах и других периферийных устройствах
USB Mini-B — компактный 5-контактный разъем для портативных устройств
USB Micro-B — ультракомпактный 5-контактный разъем для смартфонов
USB Type-C — современный универсальный разъем с 24 контактами

Самыми распространенными являются разъемы Type-A и Type-C. Рассмотрим их распиновку подробнее.

Распиновка USB Type-A

Стандартный 4-контактный разъем USB Type-A имеет следующую распиновку:

VCC (+5В) — питание
D- — передача данных (минус)
D+ — передача данных (плюс)

GND — земля

Такая простая распиновка позволяет легко подключать USB-устройства к компьютеру или другим хост-контроллерам.

Распиновка USB Type-C

Современный 24-контактный разъем USB Type-C имеет более сложную распиновку:

A1-A12: сигнальные линии для передачи данных и питания
B1-B12: дублирующие контакты для реверсивного подключения
CC1, CC2: линии конфигурации
VBUS: линия питания +5В
GND: земля

Такая конструкция обеспечивает высокую скорость передачи данных и возможность подключения разъема любой стороной.

Особенности монтажа USB-разъемов на печатной плате

При монтаже USB-разъемов на печатной плате необходимо учитывать следующие моменты:

Правильная ориентация разъема относительно платы
Надежная фиксация корпуса разъема на плате
Качественная пайка всех контактов
Соблюдение требований к трассировке высокоскоростных линий

Экранирование для снижения электромагнитных помех

Для высокоскоростных USB 3.0/3.1 портов особенно важно обеспечить согласование импедансов и минимизацию перекоса между дифференциальными парами сигналов.

Типичные проблемы с USB-разъемами на платах

При эксплуатации устройств с USB-портами могут возникать различные проблемы:

Механическое повреждение разъема при частом подключении/отключении
Отрыв контактных площадок разъема от платы
Окисление контактов, приводящее к плохому соединению
Короткие замыкания между линиями питания и данных
Выход из строя элементов защиты от статического электричества

Для предотвращения таких проблем важно использовать качественные компоненты и соблюдать технологию монтажа.

Как подключить USB-кабель напрямую к плате

Если USB-разъем на плате вышел из строя, в некоторых случаях можно подключить кабель напрямую к контактным площадкам на плате. Для этого нужно:

Определить расположение контактных площадок USB на плате
Аккуратно зачистить площадки от остатков припоя
Припаять провода USB-кабеля к соответствующим площадкам
Надежно зафиксировать кабель на плате, чтобы избежать отрыва
Заизолировать места пайки

Этот способ позволяет временно восстановить работоспособность порта, но не является надежным долговременным решением.

Тестирование и отладка USB-портов на печатных платах

После монтажа USB-разъемов на плату необходимо провести их тестирование:

Проверка правильности распайки всех контактов
Измерение сопротивления изоляции между линиями
Тестирование на отсутствие коротких замыканий
Проверка целостности сигналов осциллографом
Тестирование передачи данных на максимальной скорости
Проверка работы защиты от перегрузки по току

Тщательное тестирование позволяет выявить и устранить возможные дефекты монтажа на ранней стадии.

Заключение

Правильный монтаж USB-разъемов на печатной плате требует внимания к деталям и соблюдения технологии. При этом важно учитывать особенности конкретного типа разъема и требования к высокоскоростной передаче данных. Тщательный подход к разработке и сборке позволит создать надежное устройство с качественными USB-портами.

Распиновка USB на материнской плате: что, где и как

Большинство современных периферийных устройств подключается по универсальной последовательной шине. Поэтому распиновка USB на материнской плате играет очень важную роль в работе современного компьютера. Существует два способа установки таких разъемов. Первый – это монтаж непосредственно на плате. При этом он выводится на тыльную сторону и сразу готов к работе. Но к нему не всегда удобно подключаться — и поэтому разработали другой способ. Суть его заключается в подготовленном посадочном месте на главной плате ПК, к которому присоединяются провода от лицевой панели. А на ней и расположен разъем.

В состав одного универсального последовательного порта стандарта USB 2.0 входит 4 контакта. Первый из них обозначается «+5В». С его помощью обеспечивается подача питания на периферийное устройство. Второй и третий – это контакты, по которым передается информация. Они обозначаются соответственно «DATA-» (минус передачи данных) и «DATA+» (плюс передачи данных). Последний, 4-й, в который входит распиновка USB на материнской плате, это «GND» — подача земли. В соответствии с принятыми на сегодняшний день стандартами они обозначаются следующими цветами: питание – красный, «DATA-» — белый, «DATA+» — зеленый, и «GND» — черный.

Подобные интерфейсные подключения делаются попарно, поэтому на плате на одной контактной группе находится сразу 2 разъема стандарта USB. Распайка состоит из 9 контактов: 4 — на один разъем, 4 — на другой, а два последних играют роль так называемого ключа. На одном месте установлен штырек, а в другом его нет. Так сделано, чтобы невозможно было их перепутать и чтобы правильно выполнить подключение. Аналогичным образом выполнен и штуцер от лицевой панели. Поэтому при подключении первый на второй должен установиться без проблем. Если этого не происходит, то нужно посмотреть, правильно ли вы все делаете.

В последнее время все большую популярность приобретает 3-я версия стандарта USB. Распиновка на материнской плате его значительно отличается, поскольку используется значительно больше проводов для передачи информации. Их в таком исполнении всего 9. Кроме приведенных ранее 4, добавляются 2 пары «Superspeed» + и 2 пары того же вида, но только с минусом, а также «GND Drain» – дополнительная земля. Именно большее количество проводов и позволяет увеличить скорость передачи данных. Провода у них по цвету соответственно обозначаются синий, фиолетовый – минус, желтый, оранжевый – плюс, и еще один черный – дополнительное заземление. Поскольку увеличивается количество проводов, то и распиновка USB на материнской плате увеличивается прямо пропорционально. Для такого стандарта уже используется 19 контактов. Один из них — ключ, и его назначение – это обеспечение правильности подключения.

С помощью универсальной последовательной шины подключаются к современным компьютерам и ноутбукам великое множество различных устройств. Принтер, сканер, МФУ, флеш-накопители, клавиатура, мышь и прочие приспособления, которые значительно расширяют возможности ПК, – все это соединяется с компом именно по такому интерфейсу. Не всегда удобно подключаться к тыльной стороне компьютера, да и количества интегрированных разъемов может не хватить. Именно для решения такой проблемы и сделана распиновка USB на материнской плате, которая позволяет значительно увеличить количество портов.

Разъем USB Type-C на материнских платах

Посмотрим, как обстоят дела с внедрением нового стандарта USB 3.1 на ПК.

После скандальной реализации обрезанного по техническим характеристикам и переходного по своим задачам разъема USB-C в новых нетбуках Apple, посмотрим на внедрение настоящего стандартного разъема USB Type-C для настоящего стандартного интерфейса USB 3.1 на новых материнских платах, т.е. на персональных компьютерах (ПК), в конечном счете.

Начнем с тайваньской компании ASRock и ее специальной серии материнских плат с полной поддержкой спецификации USB 3.1, выпущенной еще в середине февраля, задолго до нетбуков Apple. В материнских платах моделей X99 и Z97 в дополнение к традиционным стандартным разъемам Type-A эта компания первой в мире установила Type-C 10 Gb/s SuperSpeed+ USB 3.1 для поддержки связи со следующим поколением переносных устройств. Это длинное название означает использованием разъемов USB Type-C для интерфейса USB 3.1 и реальную поддержку скорости передачи 10 Гбит/с (режим SuperSpeed+).

Интерфейс USB 3.1 позволяет ускорить передачу данных до 10 Гбит/с от 5 Гбит/с для USB 3.0 или от 0,48 Гбит/с для USB 2.0. Для этого используются интерфейсные платы расширения с разъемами Type-A + Type-C или двумя разъемами Type-A, но с интерфейсом USB 3.1 и скоростью передачи 10 Гбит/с.

Разъемы Type-C уже не совместимы с популярными сегодня соединителями Type-A, но переход на новый стандарт обещает снижение габаритов, защелкивание вилки в розетке и возможность вставки любой стороной. Кроме того, разъемы Type-C обеспечивают гарантированный ресурс 10 тыс. операций вставки-извлечения, а также повышение тока зарядки от 0,9 ампер в USB 3.0 до 3 А в USB 3.1.

(1) Быстрая зарядка устройств электрическим током 3,0 ампера. Конструкция разъема Type-C позволяет увеличить зарядный ток до 3,0 А согласно USB 3. 1 даже в сравнении с разъемом Type-A при прочих равных условиях (USB 3.1). (2) Долговечность с поддержкой более 10 тыс. операций вставки и извлечения вилки из розетки. (3) Обратимая конструкция: соединитель можно вставить любым из двух способов.

На материнской плате ASRock Z97 Extreme6/3.1 находится 10 портов USB 3.0 и 5 портов USB 2.0, а поддержка USB 3.1 реализована рассмотренной выше платой расширения. На материнской плате ASRock X99 Extreme6/3.1 разъем USB 3.1 есть на самой плате, а увеличить число портов позволить плата расширения.

Платы расширения уже есть и у ASUS, но полная поддержка USB 3.1 в них обеспечивается не на всех материнских платах и не в всех версиях BIOS. Плата служит для установки в шину PCI Express x4 (run @ x2), совместима со слотами PCI Express x4, x8 и x16 и имеет один разъем USB 3.1 Type C.

Однако многие (все на момент написания этой статьи) материнские платы компании ASUS предлагают поддержку USB 3.1 на встроенных портах с устаревшими разъемами Type-A, объясняя это сохранением обратной совместимости (backward compatibility).

Например, на материнской плате Z97-K/USB3.1 порт USB 3.1 реализован на старом соединителе Type-A (контроллер ASMedia USB 3.1), а загадочный порт Reversible USB Port означает обычный порт USB 3.0 с нестандартным разъемом Type-A, допускающим вставку вилки любой из двух сторон (как Type-C). Поэтому реклама ASUS о первой в мире реализации USB 3.1 не противоречит рекламе ASRock, ведь первая компания говорит о нестандартных USB 3.1 Type-A, а вторая – о стандартных USB 3.1 Type-C.

См. также:
http://funtecs.com/macbook-usb-c/
http://www.belsis.ru/useful/vidy_vkhodov_i_shtekerov/usb.html
http://www.belsis.ru/news/popularnaja_elektronika/usb-10mg.html

Источник:
http://www.asrock.com/news/index.asp?ID=2683
http://www.asus.com/Motherboards/USB_31_TYPEC_CARD/

Схема Тома: схема печатной платы для разъемов USB-C

Загрузить сейчас

USB-кабели

сегодня находят применение в различных электронных системах. Многочисленные физические конфигурации и номера контактов доказывают широкий спектр их применения. Одним из самых популярных является USB-C, который ранее назывался USB Type C, чтобы отличить его от типов A и B. Эти разъемы, которые можно узнать по их симметричной форме и двухслойной разводке контактов, могут функционировать совершенно по-разному в зависимости от их применения. Соответственно, учитывая их распространенность в высокоскоростных цифровых системах связи, понимание тонкостей USB-C важно для создания оптимальных конструкций печатных плат USB.

USB-C: Кабели и разъемы

Подача питания через USB-C сосуществует с цифровыми данными SuperSpeed. Чтобы реализовать потенциал этого интерфейса, вы должны сначала понять, как кабели и разъемы могут влиять на требования к компоновке печатной платы.

Кабели USB-C — основные сведения

Единого стандартного кабеля USB-C не существует. Каждый кабель адаптирован для своего конкретного применения и имеет электронную идентификацию. Для сильноточных приложений требуется более толстая медь. Длина кабеля также ограничивает применение из-за потери мощности и затухания сигнала при высоких скоростях передачи данных. На рисунке ниже показаны эти эффекты для кабеля USB-C.

Расположение проводников кабеля USB-C

Кабель USB-C имеет 8 коаксиальных или 4 твинаксиальных высокоскоростных соединения для передачи данных. Линии являются дифференциальными, обеспечивая 4 полосы цифровых сигналов, по 2 в каждом направлении. Каждая полоса может передавать до 5 Гбит/с и более данных. Эти высокие скорости передачи данных требуют согласования длины и контроля импеданса. Также доступен устаревший интерфейс USB 2.0 и два провода для боковой полосы. Силовой провод VBUS может пропускать до 3 ампер тока и 20 вольт.

Конфигурация происходит в канале конфигурации. В более ранних версиях спецификации было два провода конфигурации. Более новые версии удалили один из них и вместо этого предоставили VCONN, который может обеспечить большую мощность. Есть два выделенных провода заземления, и ток заземления также протекает в коаксиальных экранах.

Спецификации USB находятся в свободном доступе на сайте usb.org. На веб-сайте представлено множество типов кабелей, в том числе USB 2.0, HDMI, высокоскоростных данных и кабелей только для питания.

Микрокоаксиальные кабели

Сечение микрокоаксиала

, показанные на рисунке слева, можно легко спутать с обычными проводами. У них есть изолирующая оболочка, а внутри находится плетеный экран, скрывающий еще один изолированный провод. Этот внутренний провод несет данные. Два согласованных микрокоаксиальных кабеля создают единую высокоскоростную дифференциальную линию передачи данных. Один коаксиальный кабель несет сигнал, а другой несет отрицательную копию того же сигнала.

Сечение Twinax

Другая реализация пары линий передачи данных, показанная слева, называется твинаксиальным (твинаксиальным) кабелем , где и положительная, и отрицательная копии сигнала имеют один и тот же экран.

Провода этого типа легче согласовать по длине, что может привести к более широкому внедрению этой альтернативы.

Кабели также включают заземляющие соединения, скрытые компоненты, такие как обходные конденсаторы, и цепи идентификации кабеля. Все это помогает избежать повреждения устройства и уменьшить электромагнитные помехи и проблемы с электромагнитной совместимостью.

Разъемы USB-C — рекомендации по монтажу на печатной плате

Конструкция разъема учитывает любые требования к электромагнитным помехам для мощных и высокоскоростных приложений. Например, он имеет заземленную оболочку и может иметь выступы оболочки, которые припаиваются к плате, для которой требуются слоты. Эти слоты усложняют изготовление печатных плат.

Типы разъемов включают поверхностный монтаж, смешанный поверхностный монтаж, сквозное отверстие, прочный и средний монтаж.

Средний разъем USB-C

Как показано выше, разъем, установленный посередине, находится внутри выреза на плате. Прежде чем использовать этот тип разъема, обязательно учитывайте возможность панелирования платы.

Штыри разъема проходят внутри канавок на пластине из пластика. Штыри имеют разную длину, что обеспечивает достаточную подачу питания до подключения сигнала.

Контакты разъема USB-C

Корпуса разъемов доступны в усиленном исполнении. Комбинированный разъем для сквозного и поверхностного монтажа может обеспечить дополнительную надежность, а также улучшить компоновку двухслойных конструкций. Еще более прочные разъемы отлиты из алюминия и могут быть водонепроницаемыми.

Прочность кабеля ограничена конструкцией. Цель состоит в том, чтобы кабель порвался до разъема. Нагрузка на кабельное соединение обычно возникает из-за изгиба. При небольшом изгибе кабель не повреждается, как показано на графике ниже.

Диапазон изгиба разъема USB-C

При крутящем моменте до 0,75 ньютон-метра (Нм) кабель USB-C может изгибаться без повреждения кабеля или разъема. При некотором крутящем моменте от 0,75 Нм до 2 Нм штекер USB будет ослабевать и, в конце концов, сломается при длительном напряжении (как показывает кривая на графике выше). Чтобы уберечь более дорогие устройства от поломки, механическую прочность платы можно смоделировать с помощью анализа методом конечных элементов. Структурная целостность — это лишь одно из многих соображений, которыми следует руководствоваться при компоновке печатной платы USB при использовании разъемов USB-C.

DFM для высокоскоростных цифровых печатных плат

Загрузить сейчас

Рекомендации по компоновке печатных плат USB-C

При создании макетов печатных плат с разъемом USB-C может оказаться полезным использование манипулятора (или платы манипулятора).

Плата Paddle

Плата Paddle представляет собой макетную плату и эталонный проект, который устанавливает линии передачи данных SuperSpeed, интерфейс USB 2.0 и обеспечивает подачу питания. Симметрия верхней и нижней сторон не случайна; USB Type-C — это реверсивная вилка без предпочтительного низа или верха. Питание, заземление и сигналы появляются с обеих сторон, так что перепутывание разъема может быть размотано схемой на плате. Распиновка ниже иллюстрирует эту симметрию.

Распиновка разъема USB-C

Как показано выше, большинство контактов дублируются, поэтому разъем работает в обоих направлениях. Для цифровых соединений SuperSpeed сигнальные полосы меняются местами. Для приложений, где программное обеспечение не может распутать биты, схемы переключения ИС могут снова поменять местами сигналы.

Более старая версия спецификации содержала два контакта конфигурации, config1 и config2. Альтернативные режимы работы, включая USB 3.0/3.1, используют только один контакт конфигурации, а VCONN выполняет множество других функций, таких как обеспечение большей мощности.

Подача питания USB-C

Процесс подачи питания для разъема USB-C показан ниже.

Процесс подачи питания USB-C

Как показано выше, при первом включении устройства оно получает питание 5 В с током 500 мА. Это увеличение мощности по умолчанию по сравнению с предыдущими поколениями USB. Для устройств, которым требуется больший ток или напряжение, комбинация аппаратных и программных процессов согласования подачи питания может убедить хост-систему увеличить напряжение и ток.

Доступная мощность предоставляется в приращениях тока при фиксированном напряжении, как показано на графике ниже.

Дополнительный источник питания USB-C

Когда ток достигает предела в 3 ампера, активируется более высокое напряжение в дополнение к уменьшению максимального тока для обеспечения того же количества энергии.

Маршрутизация SuperSpeed + трассировка на USB ПК

SuperSpeed Дифференциальные пары сигналов 5 ГГц требуют маршрутизации согласованной длины и контроля импеданса. Максимальный перекос между положительным и отрицательным сигналами в кабеле составляет 100 пс, и печатная плата не должна сильно к этому прибавлять. FUSB340 — это коммутатор SuperSpeed 10 Гбит/с с типичным перекосом 6 пс. Сохранение перекоса трассировки примерно до 6 пс требует, чтобы длина соответствовала примерно 1 мм.

Также важно, чтобы импеданс составлял от 75 до 105 Ом, а длина дорожки была как можно короче, поскольку недорогие материалы для печатных плат дают потери на высоких частотах. Также рекомендуется размещать дорожки на одном слое. Для нескольких слоев длина каждого слоя должна быть согласована. Это объясняет различия в скорости распространения сигнала между слоями. Переходные отверстия, направляемые к внутренним слоям, особенно на толстых платах, создают шлейфы линий передачи, которые нарушают целостность сигнала, но их можно просверлить, чтобы удалить шлейф.

Штыри сквозного разъема не должны торчать из нижней части платы, так как это также создает шлейф линии передачи. Штыри разъема должны быть примерно такой же длины, как и толщина платы. Если провода слишком длинные, потребуется ручная обрезка. А провода, длина которых недостаточна для достижения нижней стороны печатной платы, будут иметь проблемы с пайкой.

Расчет ширины и расстояния между дорожками, необходимых для высокоскоростных дифференциальных линий, выходит за рамки простых эмпирических правил или расчетных кривых. Инструменты анализа целостности сигнала включают решатель 2D-поля, который может помочь в проектировании трасс и пространств. Анализ ограничен реальностью изготовления платы, которая не всегда соответствует идеальной геометрии и диэлектрикам.

Служба индивидуального изготовления печатных плат Tempo

Приверженность сертификатам качества ISO-9001, IPC-600 и IPC-610.
Выполните полный цикл разработки от прототипа до проверки, NPI и мелкосерийного производства.
Точная смета менее чем за день.
Выполняет весь процесс «под ключ» всего за 4 дня.
DFX, включая DFM, DFA и DFT с первого дня проектирования.
Поставляет компоненты от самых надежных поставщиков в отрасли. для сокращения времени закупки.
Умная фабрика с программным управлением и контролем и контролем на протяжении всего производственного процесса.
Выполняет несколько автоматизированных проверок во время сборки печатных плат, чтобы обеспечить качество печатных плат для прототипирования.
Плавный переход от прототипирования к производству.

Всегда полезно работать с вашим контрактным производителем, чтобы найти стек, отвечающий вашим потребностям. Дифференциальные испытательные купоны, добавленные к панелям печатных плат, позволяют производителям плат проверить, соответствуют ли платы требованиям. В Tempo Automation, лидере отрасли в области быстрого и высококачественного прототипирования печатных плат и производства по требованию, мы уделяем первоочередное внимание соблюдению ваших проектных замыслов на протяжении всего процесса производства печатных плат.

И чтобы помочь вам начать работу с наилучшего пути, мы предоставляем информацию для ваших проверок DFM и позволяем вам легко просматривать и загружать файлы DRC. Если вы являетесь пользователем Altium Designer или Cadence Allegro, вы можете просто добавить эти файлы в свое программное обеспечение для проектирования печатных плат. Для Mentor Pads или других дизайнерских пакетов мы предоставляем информацию DRC в других форматах CAD и Excel.

Если вы готовы изготовить свою конструкцию, попробуйте наш инструмент расчета стоимости, чтобы загрузить файлы CAD и BOM. Если вам нужна дополнительная информация о файлах САПР или о том, как включить ваш проект в формат САПР, свяжитесь с нами. 93 и флагманское устройство Nokia 2010 года.

50 вопросов Посмотреть все

Сатвик @сатвик

Рем.: 1

Опубликовано: 23 октября 2017 г.

Опции

Постоянная ссылка
История
Подписаться

У меня отклеился usb порт с контактами на плате, нет возможности заменить новый порт. Но я хочу скопировать данные во внутреннюю память. Подскажите, пожалуйста, как подключить usb-кабель напрямую к плате. Спасибо.

Ответил! Посмотреть ответ У меня тоже есть эта проблема

Хороший вопрос?

Да №

Оценка 0

Отмена

Выбранное решение

Филип Ле Риш @pleriche

Респ: 27. 7k

Опубликовано: 25 октября 2017 г.

Опции

Постоянная ссылка
История

Прежде всего, убедитесь, что вы не можете удалить данные через Bluetooth. А может он заряжается через порт microUSB и батарея разряжена?

Судя по вашему описанию, разъем USB приподнял дорожки с платы, что может сильно усложнить задачу.