Soluciones de diseño y desafíos de implementación del puerto USB tipo C

USB de 1.1 a 3.2 y posteriores

Lanzado por primera vez en 1996, el bus serie universal (USB) unificó las funciones de múltiples tipos diferentes de conexiones y es omnipresente en los productos de tecnología de consumo y computación. Su llegada hizo que conectar múltiples periféricos, como teclado, mouse, impresora, cámara, disco externo u otros, a una computadora fuera fácil y conveniente. Los periféricos ya no estaban definidos por sus interfaces y los usuarios ya no necesitaban lidiar con múltiples tipos de cables para conectar los dispositivos que querían usar.

USB 1.1 permitió una velocidad máxima de datos de 12 Mbps. USB 2.0 elevó el listón a 480 Mbps para manejar una amplia gama de funciones, incluida la transmisión de video y la transferencia rápida de datos desde dispositivos externos al disco duro de una PC. Al suministrar hasta 2,5 W a 5 V CC a través de VBUS y pines de tierra designados, la interfaz USB también permitió a los usuarios alimentar dispositivos pequeños, como unidades externas, o cargar computadoras portátiles y teléfonos móviles sin conexiones de suministro de energía adicionales. En 2007, la industria de los teléfonos inteligentes exigió la interfaz de carga USB para los teléfonos para permitir la carga desde un tomacorriente USB tipo A estándar y evitar la carga de desperdicio eléctrico debido a los cargadores dedicados desechados.

Las tendencias de consumo actuales exigen aún más ancho de banda de interconexión para los sistemas integrados en productos inteligentes, como los sistemas de transmisión de video HD y 4K ultra HD que necesitan transmitir el contenido a tamaños de pantalla cada vez más grandes e intercambiar datos con unidades de almacenamiento de alta velocidad de varios gigabits. Surgieron nuevos estándares como HDMI a 6Gbps, DisplayPort a 8.1Gbps y Thunderbolt a 20Gbps para manejar las crecientes demandas.

Para retener la corona universal de USB, el Foro de Implementadores de USB (USB-IF) introdujo por primera vez la especificación USB 3.2, que identifica tres velocidades de transferencia:USB 3.2 Gen1 (5Gbps), USB 3.2 Gen2 (10Gbps) y USB 3.2 Gen2x2 (20Gbps aprovechando doble interfaz física del carril). Estos se comercializan a los consumidores como SuperSpeed ​​USB 5Gbps, SuperSpeed ​​USB 10Gbps y SuperSpeed ​​USB 20Gbps.

Más recientemente, se ha especificado USB4 con soporte para velocidades de transferencia de 20Gbps (USB4 20Gbps) y 40Gbps (USB4 40Gbps). Compatible con versiones anteriores de USB 3.2, USB 2.0 y Thunderbolt 3, USB4 introduce cambios que incluyen una arquitectura de túnel orientada a la conexión que permite combinar varios protocolos en la misma interfaz física y compartir la velocidad y el rendimiento generales de la estructura USB4.

Actualización de la conexión física

Para admitir las nuevas especificaciones de alta velocidad de doble carril y, al mismo tiempo, permitir la compatibilidad con versiones anteriores de equipos USB 2.0 heredados, se requiere una nueva interfaz física. La interfaz USB Type-C (USB-C) no solo incorpora más conexiones para dos conjuntos de canales de datos diferenciales y un bus USB 2.0 que funciona en paralelo, sino que también agrega características para admitir la especificación USB Power Delivery (USB PD). Estas características incluyen dos conjuntos de pines de alimentación y tierra y un canal de comunicación a través del cual los dispositivos conectados pueden negociar sus demandas de consumo de energía y capacidades de suministro de energía que van desde el USB 2.0 de 5V heredado hasta la última especificación de 20V / 5A. También se incluye el uso de banda lateral adicional (SBU) para permitir mejoras de rendimiento futuras y nuevas funciones.

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Figura 1. Pines del conector USB-C (Fuente:Diodes Inc.)

USB-C simplifica la conexión de dispositivos desde el punto de vista del usuario. El conector no está polarizado, lo que permite insertar el cable en ambos sentidos; por lo tanto, el conector USB-C ahora tiene 24 pines para atender la gran cantidad de conexiones de datos y energía necesarias para admitir USB 3.2, USB4 y USB Power Delivery (PD), y para permitir la compatibilidad con versiones anteriores con USB 2.0, como se muestra en la Figura 1.

Además, la interfaz es bidireccional, lo que permite que los cables tengan el mismo conector en cada extremo y permite que los dispositivos conectados actúen como host o dispositivo o como consumidor o proveedor de energía.

Implementación de USB-C

Con esta flexibilidad adicional y la demanda de pines adicionales, la interfaz USB-C es considerablemente más compleja que sus predecesoras. Los dispositivos conectados pueden clasificarse como puerto descendente (DFP o fuente), puerto ascendente (UFP o Sink) o puerto de función doble (DRP) capaz de generar y absorber datos y energía. Se requiere lógica para manejar el control de configuración en cada caso. También es necesario detectar la orientación del enchufe del cable y cambiar correctamente las señales, como USB 3.2 y DisplayPort, al conector USB-C. Además, se requieren la multiplexación de señales USB 2.0, conmutación de energía y control de carga y, por supuesto, disposiciones para la integridad de la señal y la protección de voltaje transitorio.

Un dispositivo, como una computadora portátil o una tableta, puede contener circuitos, como se muestra en la Figura 2, para proporcionar una interfaz USB-C en pleno funcionamiento capaz de manejar datos multimedia y USB 3.2, así como la funcionalidad PD USB.

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Figura 2. Interfaz USB-C compatible con USB 3.2 Multimedia y USB PD (Fuente:Diodes Inc.)

Los conmutadores de matriz bidireccionales, como los diodos PI3USB31532, que se muestran en la Figura 2, ofrecen una solución totalmente integrada capaz de multiplexar USB 3.2 Gen2 (carril único, 10Gbps SuperSpeed ​​+) y / o hasta cuatro canales de señales DisplayPort 1.4, así como canales auxiliares a través de el conector USB-C. El conmutador está diseñado con una pérdida de inserción baja y un ancho de banda amplio de -3dB de 8,3 GHz para garantizar la fidelidad de la señal hasta 10 Gbps.

Además de admitir la función PI5USB31532 anterior, se puede utilizar un multiplexor activo como el PI3DPX1205A1 de 6 canales y 4 carriles. Este mux incorpora una función ReDriver para conducir distancias más largas. Las características que incluyen ecualización lineal del lado de recepción y ajustes de salida para ganancia y ecualización planas garantizan el doble de integridad de la señal que los CMOS ReDrivers comparables.

La función de suministro de energía USB se realiza a través del controlador PD, que permite el suministro de energía de hasta 100 W a través del conector USB Tipo-C, además de habilitar modos alternativos de datos multimedia, como DP o Thunderbolt, a través de la interfaz USB Tipo-C.

Un dispositivo como el PI5USB2546A integra el control del puerto de carga y un interruptor de alimentación de 2,4 A, así como la conmutación para las líneas de datos USB 2.0 D + y D‐. La pieza es compatible con la especificación USB Battery Charging 1.2, incluidos los modos de puerto de carga descendente (CDP) y puerto de carga dedicado (DCP), y se puede usar en adaptadores de carga de pared, así como en dispositivos host y concentradores.

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Figura 3. Implementación de USB-C en teléfonos inteligentes (Fuente:Diodes Inc.)

La Figura 3 muestra una implementación de puerto USB-C adecuada para un teléfono inteligente. Este circuito utiliza el ejemplo de un diodo PI5USB31213A, que incorpora la función de controlador de canal de configuración USB Tipo-C junto con la función de multiplexación USB 3.2 Gen2 10Gbps para habilitar los datos adecuados al conector USB Tipo-C no polarizado. El dispositivo maneja la configuración automática del modo de host, modo de dispositivo o puerto de doble función según los niveles de voltaje detectados en el pin CC. También proporciona detección de orientación del conector y negociación de la corriente de carga a través de la interfaz USB Tipo-C. Alternativamente, se podría utilizar un dispositivo como el PI3EQX10312. Esto contiene todas las funciones incluidas en PI5USB31213A con el único cambio que es la inclusión de un ReDriver para permitir la conducción de trazas de distancias más largas.

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Figura 4. Base USB-C (Fuente:Diodes Inc.)

Como ejemplo final, la Figura 4 ilustra una estación de acoplamiento universal que se conecta a un host ascendente a través de un solo puerto USB tipo C y proporciona DisplayPort, HDMI, VGA y múltiples puertos de salida USB 3.2 para dispositivos descendentes, como un monitor y un puerto externo. almacenamiento. También proporciona un puerto LAN Gigabit Ethernet. Aquí, un dispositivo como el conmutador de barra cruzada PI3USB31532 USB Type-C o la barra cruzada activa PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 se puede utilizar para manejar la conmutación de USB 3.2 y DisplayPort. El interruptor de encendido que se muestra en el diagrama permite que la base suministre energía a la computadora host a través de los pines VBUS. La salida del conmutador DP (por ejemplo, PI3WVR31310A) va directamente al conector DP oa través del convertidor HDMI o VGA a conectores HDMI y VGA respectivamente.

Conclusión

Los diseñadores de equipos deben enfrentar las complejidades del puerto USB-C para aprovechar al máximo las últimas capacidades de datos y alimentación USB, incluida la entrega de energía de hasta 100 W, velocidades de datos USB 3.2 y USB4 y compatibilidad con múltiples protocolos. Hay una variedad de soluciones integradas disponibles para manejar la conmutación de datos, conmutación de energía, control de carga y detección de orientación de cables, que simplifican el diseño y facilitan la certificación de productos, además de ahorrar espacio en la placa y costos de lista de materiales.