Как устроена распиновка разъемов USB 2.0. Какие бывают типы USB-разъемов. Как правильно подключить USB-устройство. На что обратить внимание при разработке USB-устройств.
Основные компоненты и распиновка разъемов USB 2.0
USB (Universal Serial Bus) — это стандартный интерфейс для подключения периферийных устройств к компьютеру. Разъемы USB 2.0 имеют следующую стандартную распиновку:
- Pin 1 — VCC (+5V)
- Pin 2 — Data- (D-)
- Pin 3 — Data+ (D+)
- Pin 4 — Ground (GND)
Такая распиновка обеспечивает передачу данных и питание устройства. Важно отметить, что расположение контактов может отличаться в разных типах разъемов USB, но их функциональность остается неизменной.
Типы USB-разъемов и их особенности
Существует несколько основных типов USB-разъемов:
- Type-A — стандартный плоский разъем, используемый в большинстве компьютеров и зарядных устройств
- Type-B — квадратный разъем, часто используемый в принтерах и других крупных периферийных устройствах
- Mini-USB — компактная версия, популярная в старых мобильных устройствах
- Micro-USB — еще более миниатюрный разъем, широко применяемый в современных смартфонах и планшетах
- Type-C — новейший универсальный разъем с симметричной конструкцией
Каждый тип имеет свои преимущества и области применения. Например, Type-C позволяет передавать больше мощности и данных, а также не имеет «неправильной» стороны при подключении.
Скорость передачи данных в USB 2.0
USB 2.0 поддерживает три режима скорости передачи данных:
- Low-Speed — 1.5 Мбит/с
- Full-Speed — 12 Мбит/с
- High-Speed — 480 Мбит/с
Как определяется скорость работы USB-устройства? Это зависит от нескольких факторов:
- Возможности самого устройства
- Поддержка соответствующей скорости хост-контроллером
- Качество и длина кабеля
При разработке USB-устройств важно правильно настроить идентификацию скорости для обеспечения оптимальной производительности.
Питание через USB: возможности и ограничения
USB 2.0 способен обеспечивать питание подключенных устройств. Но каковы ограничения по мощности? Стандартный порт USB 2.0 может выдавать до 500 мА при напряжении 5В, что эквивалентно 2.5 Вт. Однако это не означает, что любое устройство сразу получит максимальную мощность.
Процесс согласования мощности происходит следующим образом:
- При подключении устройство запрашивает базовую мощность (обычно 100 мА)
- После успешной инициализации устройство может запросить дополнительную мощность
- Хост-контроллер оценивает возможность предоставления запрошенной мощности
Для устройств, требующих больше мощности, существуют специальные зарядные USB-порты или отдельные блоки питания. При разработке важно учитывать эти ограничения и правильно рассчитывать энергопотребление вашего устройства.
Защита USB-устройств: ключевые аспекты
При проектировании USB-устройств критически важно обеспечить их надежную защиту. На что следует обратить особое внимание?
- Защита от электростатического разряда (ESD)
- Предотвращение перегрузки по току
- Фильтрация высокочастотных помех
- Защита от перенапряжения
Для реализации защиты обычно используются следующие компоненты:
- TVS-диоды для подавления выбросов напряжения
- Полимерные предохранители для защиты от перегрузки по току
- Ферритовые бусины для фильтрации ВЧ-помех
- Супрессоры для защиты сигнальных линий
Правильно спроектированная система защиты значительно повышает надежность и долговечность USB-устройств, особенно в условиях частого подключения/отключения или использования в неблагоприятной среде.
Особенности проектирования печатных плат для USB-устройств
При разработке печатных плат (PCB) для USB-устройств необходимо учитывать ряд важных факторов. Какие ключевые моменты следует принять во внимание?
- Согласование импедансов сигнальных линий
- Минимизация длины дифференциальных пар D+ и D-
- Правильное размещение развязывающих конденсаторов
- Экранирование чувствительных цепей
- Соблюдение правил заземления
Особое внимание стоит уделить трассировке высокоскоростных сигналов. Для обеспечения целостности сигнала рекомендуется:
- Использовать дифференциальную пару для линий D+ и D-
- Минимизировать количество переходных отверстий
- Избегать острых углов при трассировке
- Обеспечить равную длину проводников в дифференциальной паре
Соблюдение этих правил поможет избежать проблем с целостностью сигнала и электромагнитной совместимостью, что критически важно для надежной работы USB-устройств.
USB-C: новый стандарт с расширенными возможностями
USB Type-C — это новейший стандарт USB-разъемов, который предлагает ряд существенных преимуществ. Чем же он отличается от предыдущих версий?
- Симметричная конструкция, позволяющая подключать кабель любой стороной
- Поддержка высоких скоростей передачи данных (до 10 Гбит/с для USB 3.1)
- Возможность передачи больших мощностей (до 100 Вт)
- Поддержка альтернативных режимов для передачи видео и других типов данных
Распиновка USB-C значительно сложнее, чем у предыдущих версий. Разъем содержит 24 контакта, включая:
- 4 контакта питания (VBUS)
- 4 контакта заземления (GND)
- 2 пары для высокоскоростной передачи данных (TX1±, RX1±)
- 2 пары для сверхвысокоскоростной передачи данных (TX2±, RX2±)
- 2 контакта конфигурации (CC1, CC2)
- 1 выделенный провод для дополнительных функций (SBU)
При разработке устройств с USB-C важно учитывать эту сложную структуру и правильно реализовывать все необходимые функции, включая определение ориентации подключения и поддержку различных режимов работы.
Особенности USB Power Delivery в USB-C
USB Power Delivery (USB PD) — это протокол, позволяющий устройствам с разъемом USB-C обмениваться информацией о своих возможностях по питанию и динамически согласовывать оптимальные параметры. Как это работает?
- Устройства обмениваются информацией через линии CC
- Определяются доступные профили мощности
- Выбирается оптимальный профиль с учетом потребностей устройства и возможностей источника питания
- Устанавливается соответствующее напряжение и ток
USB PD позволяет реализовать двунаправленную передачу питания, что открывает новые возможности для проектирования устройств. Например, ноутбук может как получать питание через USB-C, так и заряжать другие устройства через тот же порт.
Альтернативные режимы USB-C
Одной из ключевых особенностей USB-C является поддержка альтернативных режимов, позволяющих использовать линии передачи данных для других протоколов. Какие возможности это открывает?
- DisplayPort — передача видео высокого разрешения
- Thunderbolt 3 — высокоскоростная передача данных и видео
- MHL — подключение мобильных устройств к дисплеям
- HDMI — альтернативный способ передачи видео
Реализация альтернативных режимов требует дополнительных компонентов и более сложной логики управления, но позволяет создавать универсальные устройства с широкими возможностями подключения.
Больше никаких неправильных портов: Внедрение USB-устройства в конструкцию вашего оборудования | Блог
Создано: 16 января 2018 г.Обновлено: 25 сентября 2020 г.
У меня постоянно возникают мысли, которые я называю «ворчливыми мыслями старика» (GOMT). Вы знаете тип: «Зачем мне изучать эту новую вещь, если то, что у меня есть, работает на меня?» или: «Интересно, как бы это было, если бы они не разговаривали по телефону половину времени?» Ну, мой последний GOMT заключался в том, что я думаю, что любой, кто родился после 90s довольно удачлив технологически. Им не нужно было проходить кропотливую фазу до появления универсальных последовательных шин. Любой, кто помнит, как ругался на свою неотвечающую клавиатуру только для того, чтобы понять, что клавиатура была подключена к разъему PS/2 мыши, или пытался защитить подключение принтера к огромному порту принтера, может оценить красоту USB.
С учетом того, какими стали USB и насколько они встроены практически в любую систему, для печатной платы важно знать, как они работают и как работать с интерфейсом USB в конструкции оборудования. Тем более, что запоминающие устройства становятся способными хранить большие объемы памяти с меньшим общим пространством, USB со временем становится все более ценным. Не соглашайтесь на глэм-рок и коммутируемое соединение навсегда, узнайте, как заставить ваши устройства подключаться и работать.
По своей сути USB-устройство создано с учетом удобства пользователя; однако, исходя из моего опыта проектирования электроники, чем удобнее устройство, тем сложнее его конструкция. При разработке USB-устройства самая сложная часть связана с прошивкой: правильная настройка различных дескрипторов и обеспечение правильной работы стека связи USB может быть сложной задачей.
С другой стороны, инженера по аппаратному обеспечению в первую очередь интересует схема USB-устройства.
Требования к электропитанию
Требования к электропитанию для USB-устройства могут повлиять на ваш дизайн или сломать его; вам нужно быть уверенным, что вы не испортите цепи питания хоста USB. Один порт USB 2.0 на компьютере может выдавать до 500 мА. Но это не означает, что он будет подавать 500 мА при подключении USB-устройства; вместо этого USB-устройство должно пройти процесс перечисления, в ходе которого оно согласовывает с хостом запрос на текущую необходимую ему емкость.
Выполняемые расчеты бюджета мощности жизненно важны для правильного проектирования.
Если вашему USB-устройству требуется высокая мощность тока, которая не может быть обеспечена одним портом USB, вам может потребоваться подключить его к двум портам USB. В качестве альтернативы, USB-устройство с автономным питанием устранит зависимость от USB-порта в качестве источника питания. Тщательное выполнение этих расчетов бюджета мощности поможет вам неуклонно двигаться вперед в разработке вашего USB-оборудования.
Идентификация скорости USB
Обычно существует 3 типа скорости, с которой может работать USB-устройство в соответствии со стандартами USB 2.0. Клавиатуры и мышь обычно работают на низкой скорости со скоростью передачи 1,5 Мбит/с; однако игровая мышь обычно работает с высокой скоростью 12 Мбит / с. Высокоскоростная передача данных через USB с максимальной скоростью 480 Мбит/с обычно используется такими устройствами, как внешние жесткие диски.
Чтобы USB-устройство работало с правильной скоростью, оно должно правильно идентифицировать себя для хоста.
Низкоскоростное USB-устройство будет иметь соединение D-сигнала, подключенное к подтянутому резистору. С другой стороны, у высокоскоростного USB-устройства будет подтягиваться сигнал D+. Высокоскоростное USB-устройство использует другой подход к определению скорости. Он инициализируется как полноскоростное USB-устройство перед отправкой серии передач во время перечисления, чтобы идентифицировать себя как высокоскоростное устройство.
Обеспечение надлежащей защиты сигналов
Обеспечение безопасности сигналов — еще одна важная функция, которую необходимо учитывать при разработке USB-устройств. USB-устройства обычно мобильны и часто взаимодействуют с пользователями. Это вызывает опасения по поводу опасности электростатического разряда (ЭСР). Важно размещать компоненты защиты от электростатического разряда вдоль сигнала данных, чтобы предотвратить отказ устройства из-за электростатического разряда. Кроме того, некоторые USB-устройства питаются от длинного USB-кабеля.
Это увеличивает вероятность внешних электрических помех, влияющих на силовые соединения. Чтобы решить эту проблему, на соединения V+ и GND обычно помещают ферритовые кольца.
И одна из последних мер защиты, о которых вам нужно позаботиться, — это когда вы маршрутизируете сигналы данных. Даже для низкоскоростного USB-устройства скорость 1,5 Мбит/с на печатной плате является достаточно высокой. Для обеспечения целостности сигнала необходимо применять основные правила проектирования высокоскоростных сигналов.
Если вам нужен простой в использовании инструмент для компоновки печатных плат, который включает в себя все необходимое для создания высококачественных печатных плат, не ищите ничего, кроме CircuitMaker. В дополнение к простому в использовании программному обеспечению для проектирования печатных плат все пользователи CircuitMaker имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365.
Вы можете загружать и хранить свои проектные данные в облаке, а также легко просматривать свои проекты через веб-браузер на защищенной платформе.
Начните использовать CircuitMaker сегодня и следите за новостями о новом CircuitMaker Pro от Altium.
Все о USB-C: резисторы и маркеры
Если вы следили за нашей сагой о USB-C, вы знаете, что провод CC в кабелях USB-C используется для связи и определения полярности. Однако не так широко известно, что в USB-C для связи используются два протокола — аналоговый и цифровой. Сегодня давайте посмотрим на аналоговую сигнализацию, используемую в USB-C, и частично узнаем больше о легендарных резисторах 5,1 кОм и о том, как они работают. Мы также узнаем об emarkers и загадочной сущности VCONN!
Блок питания USB-C должен обнаружить определенное снижение значения на линии CC, прежде чем он подаст 5 В на VBUS, и любое более высокое напряжение должно согласовываться в цифровом виде. Блок питания, будь то порт вашего ноутбука или зарядное устройство, может обнаружить подтягивание (известное как Rd ), потому что он поддерживает подтягивание (известное как Rp ) на линии CC — затем он проверяет, не образовался ли делитель напряжения на CC, и находится ли результирующее напряжение в допустимом диапазоне.
Если вы подключите устройство, которое не обеспечивает доступ к раскрывающемуся меню через провод CC в кабеле, ваше устройство никогда не получит питание от порта USB-C и будет работать только с кабелем USB-A-USB-C. . Ожидается, что даже более интеллектуальные устройства, которые могут использовать цифровую часть USB-C, будут иметь раскрывающиеся списки, просто эти раскрывающиеся списки являются внутренними для используемой коммуникационной ИС USB-C. Порт USB-C, который хочет получать питание, должен иметь раскрывающийся список.
Эта часть уже хорошо известна, но мы видели множество отказов из-за нехватки резисторов в дешевых устройствах, и разговорный совет звучит так: «добавьте резисторы на 5,1 кОм». Вы можете бояться думать, что это так просто, но вы будете удивлены.
Pullups, Pulldowns и результирующий делитель напряжения
Существует два типа питания для портов USB-C — сторона питания и сторона потребителя. Аналоговая сторона USB-C позволяет разработчикам добавить простой способ согласования требований к питанию при использовании USB-C при напряжении 5 В без использования специальных или дорогих ИС — с помощью подтягиваний для источников и подтягиваний для приемников.
Комбинация pullup и pulldown формирует делитель напряжения, а само напряжение представляет собой ток зарядного устройства.
Теперь, в режиме аналоговой сигнализации, источник может регулировать подтягивание в зависимости от доступного ему бюджета мощности, и это весьма полезно. Представьте себе ноутбук или зарядное устройство с несколькими портами USB-C. По мере того, как каждый порт загружается, на другие порты будет поступать меньше тока, что в значительной степени определяется внутренней структурой устройства. Возьмем, к примеру, ноутбук Framework, оснащенный четырьмя портами USB-C. Каждый порт может выдать 15 Вт при 5 В/3 А, но если вы хотите запитать сразу четыре устройства USB-C типа «sink-only», то на третий и четвертый порт он сможет выдать только 1,5 А — вполне разумное ограничение от инженерная перспектива.
Это означает, что устройства с более высоким потреблением, такие как устройства с максимальным током 1,5 А и 3 А, должны контролировать напряжение на линии CC, чтобы определить, могут ли они превысить бюджет мощности, регулируя свои требования по мощности, или иным образом отключаться, если вновь установленный лимит тока превышен.
Что это значит для вас как для пользователя? Ничего, если ваши устройства достаточно маломощные. Ожидается, что ваши устройства будут контролировать напряжение на линии CC и соответствующим образом регулировать свой аппетит. Некоторые купленные в магазине устройства не будут этого делать, но это редко. Как хакер? Если вы создаете устройство, которое получает питание от порта USB-C, и вы стремитесь получить полные 3 А при 5 В, помните, что не все порты USB-C обеспечат вам это. Однако вы можете проверить наличие 3 А, измерив напряжение на линии CC. Или нет, я не твоя мама, и многие хакерские устройства процветают без обнаружения.
Какие напряжения можно ожидать на линии CC? Ну, это напряжение, которое вы можете считать с помощью простого АЦП, который есть в вашем микроконтроллере, или даже компаратора.
Как видите, все это ниже 3,3 В, поэтому вам не понадобится делитель напряжения, если вы используете полнофункциональный АЦП микроконтроллера. О, и если у вас есть разъем USB-C, не забудьте, конечно, контролировать оба контакта CC отдельно.
Мне действительно нужно?
Вам действительно нужно контролировать напряжение CC? Когда вы просто работаете над чем-то, на самом деле это не так, но это может помочь, если вы хотите выйти за рамки 0,5–1 А. Если вы превысите текущие требования, которые может обеспечить исходный порт, предполагается, что он просто прекратить подачу питания на ваше устройство — довольно безопасный исход. С другой стороны, философия USB-C заключается в том, чтобы иметь несколько уровней защиты, и если вы создаете устройство мощностью 15 Вт с простым подходом резистора 5,1 кОм, вы также можете сделать его устройством, которое может определять его мощность. поставка недостаточна. Кроме того, это довольно легко сделать!
В противном случае вы можете просто ожидать, что ваше устройство захочет быть в паре с зарядным устройством, которое всегда выдает 3 А при 5 В, что и делает подавляющее большинство зарядных устройств.
Тогда у вас никогда не возникнет проблем — вы всегда сможете работать с полными 15 Вт. Однако, если вы подключаете свое устройство к порту ноутбука, будь то USB-C или USB-A с адаптером USB-C, вы можете Не ожидайте, что 3 А всегда будут там — вам действительно нужно будет проверить.
5,1 кОм — не единственное понижение, с которым вы столкнетесь. Есть еще один вид раскрывающегося списка, с которым мы, хакеры, уже встречались раньше, и это 9.0048 Ra — то, что вступает в игру, когда мы говорим о кабелях с электронной маркировкой.
VCONN: правильное питание вашего Emarker
Emarkers — это в основном микросхемы памяти, которые могут работать по протоколу USB PD. Они используются в кабелях, которые немного сложнее обычных, то есть в кабелях с высокоскоростными возможностями, таких как USB3 и Thunderbolt, а также в кабелях на 5 А. Они подключаются к линии CC на кабеле и могут запрашиваться либо источником, либо приемником, хотя обычно они запрашиваются источником.
Если внутри кабеля USB-C есть маркер emarker, ему потребуется питание, а у USB-C есть способ обеспечить его питанием — он называется VCONN. Как вы знаете, для связи используется только один контакт CC. Противоположный вывод CC, не подключенный к линии CC, используется для подачи питания на emarker; другой контакт CC — VCONN.
Внутри штекера USB-C вы будете знать, какой контакт CC подключен к проводу CC, и, следовательно, вы заранее знаете, какой контакт будет действовать как VCONN. Тем не менее, вы можете вставлять вилку в двух разных ориентациях, а это означает, что розетка должна иметь возможность обрабатывать любой из двух контактов CC либо как линию связи CC, либо как контакт VCONN. Это делает кабели относительно простыми и дешевыми, позволяя самим устройствам справляться со сложностью.
Вам как хакеру, скорее всего, не нужно беспокоиться о VCONN. Большинство из нас будет работать с USB2 или USB3, током не выше 3 А, и проверка emarker не будет такой уж необходимой.
Идя дальше, существуют микросхемы, которые позаботятся о множестве аспектов USB-C для вас, включая, действительно, поставку VCONN.
Требования к напряжению для VCONN довольно мягкие, в отличие от 5 В, которые вы должны предоставить для VBUS — допустимый диапазон составляет от 3 В до 5,5 В; часто это прямое напряжение одноэлементной литий-ионной батареи в реализациях смартфонов, что означает, что вы избегаете двух преобразований и можете добиться значительной экономии энергии. В конце концов, мощность VCONN предназначена не только для электронных маркеров, ее можно использовать для питания небольших аксессуаров и адаптеров для наушников с бюджетом мощности до 1 Вт. В этой забавной презентации от хакера USB-C рассказывается о создании прототипов устройств на базе VCONN, которые охватывают весь спектр того, что спецификация USB-C позволяет делать устройствам на базе VCONN.
Тем не менее, электронные маркеры — это самая распространенная вещь, которая требует VCONN, и они довольно просты.
Иногда кабель содержит два маркера, иногда один — это выбор производителя. В случае кабеля с одним маркером, один из концов кабеля будет содержать маркер, и будет дополнительный провод VCONN «перевести питание маркера на другой конец» через кабель от штекера, оборудованного маркером, подключенного к Контакт VCONN на другом штекере кабеля. Так что, если вы когда-нибудь увидите упоминание о проводе VCONN, это означает, что это провод с диодной изоляцией, подключенный к неиспользуемому контакту CC на одном конце кабеля, который просто подает питание на маркер на другом конце.
Ну, это весело и все такое, но как насчет этого раскрывающегося списка Ra ?
Проблема Ra-spberry Pi 4
Маркер сигнализирует о своем присутствии, подключая подтягивающий резистор (известный как Ra ) к контакту VCONN; в среднем это 1 кОм, в диапазоне от 800 Ом до 1200 Ом. Если розетка может обеспечить VCONN, она ищет такой резистор на выводе CC, который в настоящее время не используется для связи, и подает VCONN на этот вывод, когда обнаруживается резистор.
Этот резистор, в результате, имеется на втором выводе CC внутри штекера кабеля — на обоих штекерах кабеля.
Что произойдет, если вы замкнете оба контакта CC в розетке вашего устройства, а затем вставите высокопроизводительный кабель с маркировкой? Резистор на 5,1 кОм подключается параллельно резистору на 1 кОм, и вы получаете суммарное сопротивление 840 Ом, плюс-минус. Это понижение — это то, что блок питания видит на линии CC, и оно выходит за рамки ожидаемых 5,1 кОм. В частности, делитель напряжения занижает напряжение, и блок питания не обеспечивает 5 В на шине VBUS.
Это то, что делал Raspberry Pi 4 в своих первых версиях, помните? В результате вы не сможете питать Pi 4 с помощью кабеля с маркировкой через зарядное устройство Type-C — вам понадобится кабель без маркировки или, возможно, кабель USB-A к USB-C с USB. — Блок питания. И, конечно же, официальный блок питания Raspberry Pi не имеет маркировки на невыпадающем кабеле. Он также не должен иметь emarker — в конце концов, emarkers предназначены для опроса неизвестных кабелей, а невыпадающие кабели по определению являются известными кабелями.
