Guía de características y distribución de pines USB-C

Este artículo introductorio analizará algunas de las características más importantes del estándar USB-C.

¿Conoce un conector USB tipo C? Este artículo describe la anatomía del pinout USB Type-C y describe brevemente sus diversos modos.

USB Type-C es una especificación para un sistema de conector USB que está ganando popularidad en teléfonos inteligentes y dispositivos móviles y es capaz tanto de suministro de energía como de transmisión de datos.

A diferencia de sus predecesores USB, también se puede voltear, por lo que no es necesario intentarlo tres veces para enchufarlo.

Un puerto USB Type-C. Imagen cortesía de Denys Vitali

Este artículo introductorio analizará algunas de las características más importantes del estándar USB-C. Antes de sumergirnos en el pinout y explicar de qué es capaz cada uno, veremos rápidamente qué es USB-C y para qué es mejor.

¿Qué es USB-C?

El USB-C es un estándar relativamente nuevo que tiene como objetivo proporcionar transferencia de datos de alta velocidad de hasta 10 Gb / s junto con una capacidad de flujo de energía de hasta 100 W. Estas características pueden hacer del USB-C un estándar de conectividad verdaderamente universal para los dispositivos modernos.

¿USB-C o USB Type-C?

Estos dos términos son generalmente intercambiables (usaremos ambos a lo largo de este artículo). Aunque USB-C se usa con más frecuencia, USB Type-C es el nombre oficial del estándar que figura en USB.org.

Funciones de USB-C

La interfaz USB-C tiene tres características principales:

• Tiene un conector abatible. La interfaz está diseñada de manera que el enchufe se pueda girar en relación con el receptáculo.
• Es compatible con los estándares USB 2.0, USB 3.0 y USB 3.1 Gen 2. Además, puede admitir protocolos de terceros como DisplayPort y HDMI en un modo de operación llamado Modo alternativo.
• Permite que los dispositivos negocien y elijan un nivel apropiado de flujo de energía a través de la interfaz.

En las siguientes secciones, veremos cómo el estándar USB Type-C proporciona estas funciones.

Clavijas de enchufe / receptáculo USB tipo C

El conector USB tipo C tiene 24 pines. Las figuras 1 y 2, respectivamente, muestran los pines para el receptáculo y el enchufe USB tipo C.

Figura 1. El receptáculo USB Type-C. Imagen cortesía de Microchip.

Figura 2. El enchufe USB Type-C. Imagen cortesía de Microchip.

Pares diferenciales USB 2.0

Los pines D + y D- son los pares diferenciales utilizados para la conectividad USB 2.0. Hay dos pines D + y dos pines D- en el receptáculo.

Sin embargo, los pines están conectados entre sí y en realidad solo hay un par diferencial de datos USB 2.0 disponible para su uso. La redundancia se incluye solo para proporcionar un conector abatible.

Clavijas de alimentación y tierra

Los pines VBUS y GND son la alimentación y las rutas de retorno de las señales. El voltaje VBUS predeterminado es de 5 V, pero el estándar permite que los dispositivos negocien y elijan un voltaje VBUS diferente al valor predeterminado. La entrega de energía permite que VBUS tenga un voltaje de hasta 20 V. La corriente máxima también podría elevarse hasta 5 A. Por lo tanto, el USB Tipo-C podría entregar una potencia máxima de 100 W.

El alto flujo de energía podría resultar útil al cargar un dispositivo grande, como una computadora portátil. La Figura 3 muestra un ejemplo de RICHTEK donde se usa un convertidor reductor-elevador para generar el voltaje apropiado solicitado por la computadora portátil.

Figura 3. Imagen cortesía de Richtek.

Tenga en cuenta que la tecnología de suministro de energía hace que el USB Type-C sea más versátil que los estándares anteriores porque hace que el nivel de energía se adapte a las necesidades de la carga. Puede cargar tanto su teléfono inteligente como su computadora portátil con el mismo cable.

Los pines RX y TX

Hay dos conjuntos de pares diferenciales RX y dos conjuntos de pares diferenciales TX.

Uno de estos dos pares RX junto con un par TX podría usarse para el protocolo USB 3.0 / USB 3.1. Dado que el conector se puede voltear, se requiere un multiplexor para redirigir correctamente los datos en los pares diferenciales empleados a través del cable.

Tenga en cuenta que un puerto USB Type-C podría admitir los estándares USB 3.0 / 3.1, pero el conjunto mínimo de funciones de USB Type-C no incluye USB 3.0 / 3.1. En tales casos, los pares RX / TX no son utilizados por la conectividad USB 3.0 / 3.1 y podrían ser utilizados por otras funcionalidades USB Type-C como el modo alternativo y el protocolo USB Power Delivery. Estas funcionalidades pueden utilizar incluso todos los pares diferenciales RX / TX disponibles.

Los pines CC1 y CC2

Estos pines son los pines de configuración de canal. Realizan una serie de funciones, como detección de conexión y extracción de cables, detección de orientación del receptáculo / enchufe y publicidad actual. Estos pines también se pueden usar para las comunicaciones requeridas por la entrega de energía y el modo alternativo.

La Figura 4 a continuación muestra cómo los pines CC1 y CC2 revelan la orientación del receptáculo / enchufe. En esta figura, DFP son las siglas de Downstream Facing Port, que es el puerto que actúa como host en la transmisión de datos o como fuente de energía. UFP denota puerto orientado hacia arriba, que es el dispositivo conectado al host o al consumidor de energía.

Figura 4. Imagen cortesía de Microchip.

El DFP levanta los pines CC1 y CC2 a través de las resistencias Rp, pero el UFP los baja a través de Rd. Si no hay ningún cable conectado, la fuente ve un nivel lógico alto en los pines CC1 y CC2. La conexión del cable USB tipo C crea una ruta de corriente desde el suministro de 5 V a tierra. Dado que solo hay un cable CC dentro del cable USB tipo C, solo se forma una ruta de corriente. Por ejemplo, en el gráfico superior de la Figura 4, el pin CC1 del DFP está conectado al pin CC1 del UFP. Por lo tanto, el pin DFP CC1 tendrá un voltaje inferior a 5 V, pero el pin DFP CC2 seguirá estando en el nivel lógico alto. Por lo tanto, al monitorear el voltaje en los pines CC1 y CC2 del DFP, podemos determinar la conexión del cable y su orientación.

Además de la orientación del cable, la ruta Rp-Rd se utiliza como una forma de comunicar información sobre las capacidades de la corriente de la fuente. Con este fin, el consumidor de energía (UFP) monitorea el voltaje en la línea CC. Cuando el voltaje en la línea CC tiene su valor más bajo (aproximadamente 0,41 V), la fuente puede proporcionar la alimentación USB predeterminada, que es 500 mA y 900 mA para USB 2.0 y USB 3.0 respectivamente. Cuando el voltaje de la línea CC es de aproximadamente 0,92 V, la fuente puede proporcionar una corriente de 1,5 A. El voltaje de línea CC más alto, que es de aproximadamente 1,68 V, corresponde a la capacidad de corriente de la fuente de 3 A.

El Pin VCONN

Como se mencionó anteriormente, el USB Type-C tiene como objetivo proporcionar velocidades de transferencia de datos ultrarrápidas junto con altos niveles de flujo de energía. Estas características pueden requerir el uso de cables especiales que están marcados electrónicamente empleando un chip en el interior. Además, algunos cables activos utilizan un chip re-driver para fortalecer la señal y compensar las pérdidas incurridas por el cable, etc. En estos casos, podemos alimentar los circuitos dentro del cable aplicando una potencia de 5 V, 1 W suministro al pin VCONN. Esto se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Imagen cortesía de Microchip.

Como puede ver, el cable activo usa las resistencias Ra para bajar los pines CC2. El valor de Ra es diferente de Rd, por lo que el DFP aún puede determinar la orientación del cable examinando el voltaje en los pines CC1 y CC2 del DFP. Después de determinar la orientación del cable, el pin de configuración del canal correspondiente al "IC de cable activo" se conectará a una fuente de 5 V y 1 W para alimentar los circuitos dentro del cable. Por ejemplo, en la Figura 5, la ruta válida Rp-Rd corresponde al pin CC1. Por lo tanto, el pin CC2 está conectado a la fuente indicada por VCONN.

Los pines SBU1 y SBU2

Estos dos pines corresponden a rutas de señal de baja velocidad que se utilizan solo en el modo alternativo.

Suministro de energía USB

Ahora que estamos familiarizados con la fijación del estándar USB-C, echemos un vistazo breve a USB Power Delivery.

Como se mencionó anteriormente, los dispositivos que utilizan el estándar USB Type-C pueden negociar y elegir un nivel apropiado de flujo de energía a través de la interfaz. Estas negociaciones de energía se logran a través de un protocolo llamado USB Power Delivery, que es una comunicación de un solo cable a través de la línea CC descrita anteriormente. La Figura 6 a continuación muestra un ejemplo de suministro de energía USB en el que el receptor envía solicitudes a la fuente y ajusta el voltaje VBUS según sea necesario. Al principio, se solicita un bus de 9 V. Una vez que la fuente estabiliza el voltaje del bus en 9 V, envía un mensaje de "suministro de energía listo" al disipador. Luego, el receptor solicita un bus de 5 V y la fuente lo proporciona y envía un mensaje de "fuente de alimentación lista" nuevamente.

Figura 6. Imagen cortesía de Richtek.

Es importante tener en cuenta que la "Entrega de energía USB" no se trata solo de las negociaciones relacionadas con la entrega de energía, otras negociaciones, como las relacionadas con el modo alternativo, se realizan utilizando el protocolo de entrega de energía en la línea CC del estándar.

Modos alternativos

Este modo de funcionamiento nos permite implementar protocolos de terceros, como DisplayPort y HDMI, utilizando el estándar USB Type-C. Todos los modos alternativos deben admitir al menos una conexión USB 2.0 y USB Power Delivery. Para obtener más información, consulte este documento de TI.

Conclusión

El USB Type-C tiene características interesantes. Admite una velocidad de transferencia de datos ultrarrápida de hasta 10 Gb / sy un flujo de alta potencia de hasta 100 W. Estos, junto con un conector abatible, pueden hacer del USB Type-C un estándar verdaderamente universal para los dispositivos modernos.

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