USB-C – nowa wersja znanego interfejsu komunikacji przewodowej


USB-C – jeden z najbardziej popularnych standardów komunikacji przewodowej w elektronice

USB to po Ethernecie najpopularniejszy standard komunikacji przewodowej w elektronice konsumenckiej i profesjonalnej, który na rynku obecny jest już ponad 20 lat. Dzięki ulepszaniu jego kolejnych wersji, interfejs ten stał się wszechobecny – większości urządzeń elektronicznych powszechnego użytku w zasadzie już się nie produkuje się bez tego złącza. Nowa wersja złącza USB Type-C, która zadebiutowała na rynku w 2014 roku, w połączeniu ze specyfikacją USB 3.1 przynosi wiele usprawnień i wartych uwagi nowości.

Najbardziej widoczna jest zmiana konstrukcji wtyku i gniazda. 24-pinowa wtyczka Type-C wymiarami przypomina wtyk Micro-B (8,4 × 2,6 mm). Jej znakiem rozpoznawczym są zaokrąglone rogi oraz pusty środek. Odróżnia ją to od wtyczki USB Micro-B, która ma ścięte rogi. Wymiary są tutaj ważnym aspektem z punktu widzenia projektantów urządzeń, gdyż mniejsze i cieńsze gniazda ułatwiają projektowanie płaskich obudów.

Wygodę użytkowania wtyczki Type-C zapewnia przede wszystkim dowolność sposobu jej wkładania do gniazda. Pozwala to skrócić czas podłączania, na przykład urządzeń peryferyjnych do komputera. Dzięki temu powinna się również znacząco wydłużyć trwałość złączy. Zakłada się, że musi ono wytrzymać przynajmniej 10 tys. cykli łączenia.

Za główny składnik potencjału interfejsu USB Type-C i specyfikacji USB 3.1 uważa się jego uniwersalność. Cechę tę zapewniają dwie specyfikacje: Alternate Mode oraz Power Delivery (PD). Dzięki tej pierwszej przez port można przesyłać dane audio i wideo do transmisji których wcześniej wykorzystywano m.in. złącza DisplayPort, HDMI, Mobile High- Definition Link oraz Thunderbolt. W Power Delivery z kolei przewidziano pięć profili ładowania urządzeń. Umożliwią one pobór mocy w przedziale od 10 (5 V, 2A) aż do 100 W (20 V, 5 A).

Warto zauważyć, że wymienione poziomy zasilania są zapewnione przy równoczesnej transmisji danych. Poprzednie generacje USB zapewniały znacznie niższe wartości lub wymagały używania kabli i złączy jedynie do zasilania. Złącze Type-C jest takie samo po obu stronach przewodu, a wtyczka dodatkowo jest odwracalna, dlatego cały system zawiera funkcjonalność kanału konfiguracyjnego (Configuration Channel – CC), który odpowiada za wykrywanie funkcji dołączonego do hosta odbiornika i rozpoznawanie jego możliwości technicznych w zakresie komunikacji, napięć i prądów. Poza tym CC ustala, które pary przewodów będą realizować transmisję i jaką będą mieć polaryzację (D+ zamienia się z D- obróceniu wtyczek miejscami itd.). Takie rozwiązanie zapewnia dużą uniwersalność nowej wersji interfejsu, ale też wymagania jakie stoją przed projektantami elektroniki są wyraźnie większe. Zapewne z takich powodów firmy inwestujące w rozwój produktów dla USB-C utworzyły grupę USB Implementers Forum (USB IF), która dba o zgodność i poziom techniczny rozwiązań, a jej członkowie wymieniają się doświadczeniami. Do USB IF należą m.in. Richtek oraz ST Microelectronics.

Duża moc zasilania, jaką może dostarczyć port USB-C do odbiornika, nakłada wielkie wymagania techniczne co do jakości przewodów. To samo dotyczy szybkiego transferu, który może zostać osiągnięty wyłącznie, gdy przewód jest wysokiej jakości: ekranowany, symetryczny i o jednakowych parametrach na całej długości. Dlatego kable zdolne do dostarczania prądu o natężeniu powyżej 3 A lub szybkiej transmisji są znakowane poprzez umieszczenie we wnętrzu obudowy chipu (E-marker) informującego host o parametrach granicznych.

 

USB Type C vs poprzednie wersje tego interfejsu


W tabeli 1 zebrano ważniejsze różnice pomiędzy USB Type C a poprzednimi wersjami tego interfejsu.

Tabela 1. USB Type C a poprzednie wersje tego interfejsu
Wtyczka
Połączenia
Transfer
Zasilanie

USB 1.x/2.0

1 = VBUS, 4 = GND
3 = Data+, 2 = Data-
USB 1.0 / 1.1
Mała prędkość 1,5 Mbps
Duża prędkość 12 Mbps
USB 2.0
Duża prędkość: 480 Mbp
5 V / 500 mA
BC1.2:
5 V / 1,5 A
(dla systemów ładowania)

USB 1.x / 2.0 Mini

1 = VBUS, 5 = GND
3 = Data+, 2 = Data-
4 = ID pin: host = GND, urządzenie = bez podłączenia

USB 1.x / 2.0 Micro

1 = VBUS, 5 = GND
3 = Data+, 2 = Data-
4 = ID pin: host = GND, urządzenie = bez podłączenia

USB 3.0


1 = VBUS, 5, 8 = GND
2 = Data-, 3 = Data+
4 = USB-OTG,
6 = Tx-, 7 = Tx+, 9 = Rx-, 10 = Rx+
USB 3.0
Super prędkość (Super speed):
5 Gbps
5 V / 900 mA

USB Type-C:
Mniejszy rozmiar fizyczny
Odwracalna wtyczka
Większe napięcie i prąd
Automatyczna konfiguracja
Najwyższy transfer
Gniazdo:

Wtyczka:

Data-, Data+ dla wstecznej kompatybilności
Dwie pary RX1/2 i TX1/2
CC1/2 do konfiguracji
VCONN (do zasilania chipa ID kabla)
SBU 1/2 do transmisji audio
USB 2.0
Duża prędkość: 480 Mbps
USB 3.0
Super prędkość: 5 Gbps
USB 3.1
Super prędkość+: 10 Gbps
Domyślnie 5 V / 1,5 A
5 V / 3 A maks.
USB PD:
Od 5 do 20 V, 5 A maks.
USB PD 3.0 z PPS
Od 3 do 20 V, 5 A maks.

 

Zasilanie i ładowanie urządzeń z USB Type-C


Patrząc na rysunek poniżej nietrudno zauważyć, że zapewnienie możliwości obracania wtyczki w gnieździe w wersji USB Type-C wymaga zapewnienia przełączenia linii sygnałowych. Te odpowiedzialne za niższą prędkość i zgodność ze starymi wersjami USB (Data+ i Data-) są umieszczone dokładnie pośrodku złącza i dodatkowo zostały one zdublowane i odwrócone w dolnym rzędzie gniazda. Dzięki temu zabiegowi, obojętnie jak zostanie włożony wtyk do gniazda, zawsze zapewni to poprawne ich połączenie. Z kolei linie TX i RX odpowiedzialne za komunikację z dużą prędkością nie mogą być tak połączone i dlatego istnieje dodatkowa linia sygnałowa CC pozwalająca na wykrycie orientacji kabla i odpowiednie przełączenie linii sygnałowych TX/RX w sterowniku, aby pasowały.

Rys. Rozkład pinów we wtyczce i gnieździe USB Type-C

Kolejna różnica między starym a nowym USB kryje się w symetrii kabla. Nowy standard wykorzystuje identyczną wtyczkę na obu końcach, przez co ustalenie, kto w transmisji jest hostem, a kto odbiornikiem (device) nie jest z góry narzucone i wymaga uzgodnienia za pomocą protokołu. Co więcej uzgodnienie te nie dotyczy tylko transmisji danych, ale także kierunku transmisji mocy zasilającej.

Dla transmisji danych host nazywany jest teraz terminem Downstream Facing Port (DFP) a urządzenie odbiorcze Upstream Facing Port (UFP). W przypadku transmisji mocy dostawca zasilania to źródło (Source) a obciążenie to Sink (odbiornik). W niektórych aplikacjach, gdy dany sprzęt może zasilać i także być zasilany mówimy o podwójnej funkcjonalności – Dual Role for Power (DRP). Jest ona przewidziana także do transmisji danych – Dual Role for Data (DRD). Ustalenie roli pełnionej przez dane urządzenie ustalane jest poprzez wymianę informacji między sterownikami po obu stronach za pomocą linii sterującej CC (Configuration Channel).

Dużą zmianą i różnicą pomiędzy USB-C i starszymi wersjami interfejsu są możliwości zasilania urządzeń. Pierwsze wersje USB dostarczały jedynie 2,5 W, najnowsze rozwiązanie jest w stanie dostarczyć od 15 W (5 V/3 A) do nawet 100 W (20 V/ 5 A). Otwiera to możliwość zasilania z USB znacznie bardziej złożonego sprzętu, jak monitory, a także szybkiego ładowania urządzeń mobilnych dużym prądem. USB-C pozwala też na programowanie parametrów napięcia zasilającego – funkcja Programmable Power Supply (PPS) – po to, aby poprzez dokładną regulację potencjału skompensować spadki napięcia na przewodach lub zapewnić oszczędność energii. W ten sposób można też zrealizować efektywne ładowanie akumulatora litowo-jonowego bez konieczności dodatkowej konwersji mocy, bo daje się obniżyć wartość napięcia zasilania VBUS do nawet 3 V.

 

Konfiguracja transmisji danych i zasilania w USB-C


Rys. Proste połączenie przewodowe bez odwróconej wtyczki

Na rys. 9 zilustrowano połączenie USB za pomocą przewodu nieobróconego i bez odwróconej wtyczki. Od gniazda znajdującego się po lewej stronie do prawej linia RX1 łączy się z TX1 oraz RX2 z TX2. Tak samo D+ łączy się z D- z D- z D-, SBU1 z SBU2. Pin CC1 łączy się poprzez linię CC w kablu z CC1 po drugiej stronie.
USB 3.1 wykorzystuje do transmisji tylko dwie pary przewodów, stąd w tym przypadku szybka transmisja danych jest realizowana poprzez połączenie RX1± i TX1± z jednej strony na drugą.
Istotne jest też, że VCONN nie łączy obu stron. Napięcie to jest potrzebne do zasilania chipu E-mark i jest dostarczane przez urządzenie na jednym lub drugim końcu i to dopiero po ustaleniu, że kabel ma zamontowany ten chip.

Rys. Połączenie dla kabla z przeplotem i z nieobróconą wtyczką

Rysunek 10 pokazuje schemat połączenia USB z wykorzystaniem kabla obróconego (skręconego o 90º) i nieobróconej wtyczki. W tym przypadku, patrząc od lewej do prawej strony, RX1 łączy się z TX2 i RX2 z TX1. Linia D+ jest połączona z D+ i D- z D-, SBU1 z SBU1 i SBU2 z SBU2. Podobnie CC1 poprzez linię CC łączy się z CC2. Szybki transfer danych musi następować z RX1± i TX1± po stronie lewej do RX2± i TX2± po prawej. Oznacza to, że transceiver komunikacyjny zawarty w kontrolerze musi przełączyć się na inne pary. W sumie są 4 możliwości połączenia: z obróconą lub nieobróconą wtyczką oraz kabel z przeplotem lub bez. W systemach zgodnych z USB 3.1 linie danych RX/TX muszą więc mieć możliwość przepięcia w wewnętrznym multiplekserze po to, aby zapewnić poprawną komunikację. Na rys. 11 pokazane możliwe kierunki komunikacji w obrębie portów USB-C. Orientacja wtyczki i kabla jest wykrywana po każdej ze stron za pomocą pinów CC i CC1, a następnie kontroler logiczny linii CC (Channel Configuration) ustawia multipleksery wejściowe tak, aby linie komunikacyjne zapewniały właściwy przepływ danych bez względu na typ użytego kabla i położenie wtyczki.

Rys. Możliwe kierunki komunikacji w obrębie portów USB-C

 

Transmisja mocy zasilającej

Rysunek 12 ilustruje podstawowy układ zasilania z wykorzystaniem USB-C w najprostszym układzie, gdzie transmisja mocy odbywa się tylko w jednym kierunku od źródła (Source) do odbiornika (Sink).

Rys. Podstawowy układ zasilania z wykorzystaniem USB-C

Układ zasilania zawiera szeregowo włączony z szyną VBUS tranzystor MOSFET pracujący jako przełącznik załączający lub odcinający zasilanie. Z reguły współpracuje on z czujnikiem prądu w postaci szeregowego rezystora pomiarowego, po to, aby chronić szynę zasilającą VBUS przed zwarciem i przeciążeniem oraz w celu realizacji funkcji rozładowania potencjału. Obie części układu mają wejścia CC1 i CC2, które są połączone przez wtyczki i kabel zapewniając możliwość komunikacji w celu ustalenia poziomu wymaganej mocy, napięć i maksymalnych wartości prądu.
Na początku szyna VBUS nie jest zasilana, gdyż nie wiadomo jeszcze jaka jest konfiguracja układu i jakie będą wymagania odbiornika. Aby to ustalić na początku dostawca mocy zasilającej (Source) podciąga do zasilania linie CC po swojej stronie, a odbiornik (Sink) po drugiej stronie linie te podciąga do masy (rys. 13).

Rys. Metodę ustalania w ramach USB-C pełnioną przez poszczególne elementy składowe roli w systemie zasilania, orientacji kabla, a także maksymalnej wydajności prądowej

Na początku źródło energii podciąga linie CC1 i CC2 do zasilania przez rezystor Rp i następnie monitoruje ich stan. Gdy jest wysoki, oznacza to, że nic nie zostało jeszcze podłączone. Gdy odbiornik zostanie podłączony potencjał linii CC1 i CC2 się obniża, gdyż napięcie jest ściągane w stronę masy za pomocą rezystorów Rd w odbiorniku. Ponieważ w kabli jest tylko jedna linia CC w zależności od położenia wtyczki, albo jedna, albo druga linia obniża swój potencjał.
W drugiej kolejności odbiornik także sprawdza stan linii CC1 i CC2, aby sprawdzić, czy napięcie wzrosło. Stan taki oznacza, że do układu zostało podłączone źródło zasilania. Poziom napięcia, który ustali się na linii CC po podłączeniu informuje odbiornik, jak dużą mocą zasilania dysponuje źródło energii.
W praktycznych realizacjach rezystory podciągające są najczęściej zastępowane przez źródła prądowe, z uwagi na większą prostotę realizacji układowej w strukturze scalone oraz dlatego, że w ten sposób zmniejsza się wrażliwość takiego układu na wahania napięcia.
W standardzie zapisano, że Rd powinien mieć wartość 5,1 kΩ po stronie odbiornika. Dlatego napięcie na linii CC określają wartości Rp (lub wydajności źródła prądowego) w części Source. Przyjęto, że poziomy te będą trzy: najniższe napięcie na linii CC (około 0,41 V) oznacza domyślną wartość mocy USB (a więc 500 mA dla USB 2.0 lub 900 mA dla USB 3.0). Dla wyższej wartości (około 0,92 V) wydajność prądowa ustalona została na 1,5 A. Gdy natomiast napięcie przyjmie 1,68 V maksymalny prąd może sięgnąć 3 A (tabela 2).

Tabela 2. Wartości rezystorów Rp i Rd oraz wydajności źródła prądowego dla USB-C
Tryb pracy źródła energii
Wydajność źródła prądowego w źródle dla 1,7-5,5 V
Rezystor pull-up dla 4,75-5,5 V
Rezystor pull-up dla 3,3 V ±5%
Domyślna moc
80 µA ±20%
56 kΩ ±20%
36 kΩ ±20%
1,5 A @ 5 V
180 µA ±8%
22 kΩ ±5%
12 kΩ ±6%
3 A @ 5 V
330 µA ±8%
10 kΩ ±5%
4,7 kΩ ±5%

Na rysunku 14 pokazano oscylogram ilustrujący przebiegi napięć na liniach interfejsu w czasie podłączania źródła energii zasilającej do odbiornika za pomocą zwykłego kabla USB Type-C.

Rys. Moment podłączenia przewodu USB-C do gniazda

Początkowo linie CC1 i CC2 w źródle zasilania są podciągnięte do zasilania przez oporniki Rp a CC1 i CC2 po stronie odbiornika są podciągnięte do masy przez rezystancje Rd. Gdy przewód zostanie podłączony, to w zależności od jego orientacji napięcie na jednej z linii CC1 lub CC2 rośnie. W pokazanym przypadku przewód nie jest odwrócony, stąd CC1 w źródle łączy CC1 w odbiorniku i napięcie na niej zwiększa się w zależności od stosunku wartości Rp/Rd. Odbiornik dokonuje pomiaru tego napięcia i dzięki temu ustala, ile maksymalnie prądu jest w stanie pobrać ze źródła. W pokazanym przykładzie napięcie na linii CC1 wynosi 1,65 V, czyli oznacza to, że źródło jest w stanie dostarczyć 3 A.
Po zakończeniu tego procesu załączane jest napięcie 5 V na szynie VBUS. W uproszczonej wersji USB-C bez obsługi profilu mocy PD dzielnik Rp/Rd także ustala maksymalną wartość prądu, niemniej źródło jest w stanie dostarczyć tylko napięcia 5 V. W wersji z PD napięcie VBUS może zostać zwiększone z 5 V do nawet 20 V. To jaka ma być wartość jest ustalane pomiędzy źródłem a odbiornikiem za pomocą szeregowego protokołu BMC działającego po linii CC.
Poglądowy schemat systemu zasilającego w USB-C z obsługą Power Delivery pokazany został na rysunku 15.

Rys. Schemat systemu zasilającego w USB-C z obsługą profili mocy (PD)

Źródło w tym przypadku zawiera stabilizator napięcia sterowany za pomocą kontrolera. W zależności od wartości napięcia wejściowego oraz wymaganej wartości napięcia VBUS, stabilizator może być przetwornicą obniżającą (buck), podwyższającą (boost), podwyższająco-obniżającą (buck-boost) lub zaporową (flyback). Komunikację poprzez linię CC nadzoruje kontroler PD, tak samo załącza napięcie VCONN do linii CC na potrzeby układu E-mark.
Po tym jak komunikacja zostanie ustanowiona, urządzenia obsługujące funkcję PD rozpoczynają komunikację SOP przez aktywną linię CC w celu ustanowienia właściwego profilu zasilania. Odbiornik odpytuje źródło o dostępność poszczególnych profili (napięć szyny VBUS i prądów). Ponieważ zazwyczaj kontroler po stronie odbiornika energii jest fragmentem większej całości i systemu, z reguły to mikrokontroler sterujący działaniem odbiornika (np. ładowarki) komunikuje się za pomocą I2C z kontrolerem PD odbiornika, aby ustalić wymagania co do zasilania.
Na rysunku 16 pokazano obsługę żądania przez odbiornik PD ustawienia wyższej wartości napięcia VBUS.

Rys.Proces zwiększenia napięcia VBUS w systemie obsługującym PD

Komunikacja przez linię CC w tym przypadku jest następująca:
• Odbiornik wysyła do źródła żądanie udostępnienia dostępnej wydajności.
• Źródło wysyła informacje na temat dostępnej wydajności.
• Odbiornik wybiera z listy żądany profil zasilania i wysyła do źródła żądanie jego ustawienia.
• Źródło akceptuje żądanie i ustawia potencjał VBUS. W tym czasie odbiornik ogranicza do minimum obciążenie szyny VBUS, aby nie zaburzać zmiany stanu. Ustawienie napięcia odbywa się płynnie z zadaną szybkością zmian.
• Po ustawieniu wartości napięcia na szynie, źródło czeka chwilę aż potencjał VBUS się ustabilizuje, a następnie wysyła do odbiornika sygnał gotowości (Power Supply Ready). Od tego momentu odbiornik zwiększa obciążenie VBUS do ustalonej wartości.
Gdy zaistnieje potrzeba obniżenia potencjału szyby zasilającej, proces zmian jest realizowany w identyczny sposób, z tym, że źródło aktywuje układ rozładowania pojemności dołączonych do VBUS, aby przyspieszyć proces zmiany.
Taka metoda ustalania warunków zasilania daje pewność, że za każdym razem układ będzie działała stabilnie i w zakresie dostępnych możliwości. Gdy przewód USB zostanie odłączony napięcie szyny zasilającej jest odłączane, a każda następna operacja zaczyna się od najmniejszej dostępnej wartości (5 V). Zapobiega to ew. uszkodzeniom.
Komunikacja wykorzystuje kodowanie BMC (Bi-phase Mark Code). Jest to protokół wykorzystujący jedną linię do wymiany danych, gdzie logiczna 1 jest transmitowania za pomocą zbocza 1->0, a zero logiczne jako stała 1 lub 0. Każdy pakiet danych składa się z preambuły o sekwencji 0-1-0, początku pakietu SOP (Start Of Packet), nagłówka, bajtów danych komunikacyjnych, sumy kontrolnej CRC i EOP (End Of Packet) – rys. 17.

Rys. Schemat kodowania Bi-phase Mark Code

Rysunek 18 ilustruje proces wymiany informacji po wysłaniu żądania podniesienia napięcia VBUS. Powiększona sekcja to preambuła.

Rys. Komunikacja przy zwiększaniu napięcia VBUS

Dane BMC mogą zostać zdekodowane za pomocą specjalistycznego oprogramowania. Narzędzie takie jak na przykład Ellisys EX350 Analyzer pozwala na przechwycenie całej ramki i dalszą analizę poszczególnych parametrów i zależności czasowych (rys. 19).

Rys. Zdekodowane dane BMC

Profile zasilania w USB-C

Specyfikacja USB Type-C PD 3.0 definiuje następujące profile zasilania – Power Delivery (rys. 20).

Rys Profile zasilania w USB-C

Napięcie szyny VBUS może być ustalone na jednym z 4 poziomów: 5, 9, 15 i 20 V. Dla trzech pierwszych wartości maksymalny prąd to 3 A. Dla 20 V maksymalny prąd dla zwykłego kabla to 3 A (60 W), ale dla kabla z wbudowanym chipem E-marker wartość ta rośnie do 5 A (100 W).

Kable z chipem E-marker

Standard USB-C pozwala na użycie różnego typu przewodów. Dla małych prędkości transmisji można wykorzystać te od USB 2.0. Nie ma specjalnych wymagań, poza tym, aby przekrój żył pozwalał na przewodzenie prądu do 3 A. Kable do szybkiej transmisji danych lub na większe obciążenia muszą mieć wbudowany we wtyczce chip identyfikacyjny. Taki przewód nazywany jest aktywnym i poza układem E-marker może też zawierać driver zapewniający dodatkowe kondycjonowanie sygnału. Na rys. 21 pokazano jak to rozwiązanie wygląda od strony układowej. Jak widać źródłem zasilania jest końcówka VCONN.

Rys. Podłączenie chipa E-marker

Kable z chipem mają wewnętrzne rezystory Ra 1 kΩ podciągające linie VCONN do masy, a więc o wartości mniejszej niż Rd (5,1 kΩ). Po włożeniu kabla aktywnego w gniazdo napięcie w obu liniach CC1 i CC2 się więc obniży, niemniej, ponieważ Rp≠Rd ten spadek nie będzie jednakowy dla każdej linii, co pozwala wykryć orientację przewodu. Jednocześnie podłączenie sygnalizuje kontrolerowi źródła, że wymagane jest podanie 5 V na VCONN niezbędne do zasilenia chipu E-marker.
Na rysunku 22 pokazano przebiegi napięć w sytuacji, gdy do źródła zasilania dołączany jest odbiornik za pomocą kabla aktywnego. Po załączeniu zasilania dla chipu E-marker następuje wymiana danych pomiędzy kontrolerem w źródle zasilania a E-marker, a następnie między źródłem a odbiornikiem (SOP).

Rys. Proces podłączania kabla z chipem E-mark

Odbiornik i źródło w jednym urządzeniu

Gdy urządzenie może pełnić rolę zarówno źródła energii jak i odbiornika taką funkcjonalność nazywa się Dual Role for Power (DRP). W tym przypadku zanim nastąpi połączenie takie urządzenia przełączają piny CC1 i CC2 ze stanu wysokiego do niskiego. Gdy są one po obu stronach, takie działanie następuje na obu końcach (rys. 23).

Rys. Proces ustalania ról zasilających w DRP

W przypadku pokazanym na rysunku lewy DRP pełni rolę źródła a prawy odbiornika. Ale może być odwrotnie i co więcej rola pełniona przez sprzęt może się zmienić już po podłączeniu. Każde z urządzeń typu DRP może zażądać w dowolnym momencie zamiany ról zasilających (Power Role Swap) – rys. 24.

Rys. Zamiana ról zasilających w ramach DRP

Jeden kabel do zarządzania wszystkim


Wraz z niedawnym wprowadzeniem standardu złączy USB-C obsługujących do 100 W mocy, uniwersalne ładowanie stało się rzeczywistością dla użytkowników, zwłaszcza młodszego pokolenia, którzy poszukują większej mobilności i uniwersalności, a także dbają o wpływ na środowisko.

Obecnie coraz więcej urządzeń i aplikacji zawiera złącza USB typu C z wielu ważnych powodów:

  • Dzięki odwracalnym wtyczkom można go podłączyć do urządzenia w dowolny sposób: wtyczka zawsze pasuje, niezależnie czy przekręcimy ja do dołu, czy do góry
  • Może przenosić do 100 W mocy ładowania (od 5V / 0,5A do 20V / 5,0A)
  • Potrafi połączyć obie starsze funkcje złącz USB typu A i B w jednym porcie

usb-c STUSB4500L controller

Rys. STUSB4500L, USB Type-C controller for sink devices

Po co wdrażać rozwiązanie z USB-C?


W przypadku urządzeń z zapotrzebowaniem mocy do 100 W (np. 20V 5A) zasilania nowy standard USB oferuje złącze ładowania alternatywne dla dowolnej wtyczki wejściowej (na przykład USB micro-B lub standardowe DC). Główne zalety i korzyści to:

  • Bardziej inteligentna konstrukcja: dzięki swojej grubości i solidności złącze typu C sprawia, że kształt produktu jest bardziej „smart” niż w przypadku starszej końcówki typu DC.
  • Uniwersalność: w większości przypadków USB-C sprawia, że urządzenie jest kompatybilne z uniwersalnymi zasilaczami AC.
  • Oszczędność: sprzedawcy nie muszą już dołączać do opakowania dedykowanego zasilacza sieciowego dla każdego urządzenia.
  • Wygoda: użytkownicy nie muszą nosić ze sobą wielu zasilaczy sieciowych podczas podróży.
  • Ekologia: przyjazny dla planety, generuje mniej odpadów elektronicznych.

po co wdrażać usb c

Rys. Korzyści z zastosowania USB-C

Globalna zmiana w aplikacjach z rozwiązaniem USB typu C


Pierwszy rynek, który na szeroką skalę zaadoptował rozwiązania typu USB-C to oczywiście rynek smartfonów oraz laptopów. W obecnej chwili praktycznie wszystkie nowo wyprodukowane smartfony i laptopy posiadają złącze lub złącza USB-C. Tym samym USB przeniosło się również szturmem do zasilaczy AC i power bank’ów. Ale to nie wszystko.

W ślad za zmianami w standardach elektronicznych poszedł rynek motoryzacyjny (aktualizacja z wtyczek STD-A lub 12 V z gniazda zapalniczki na USB Type-C z Power Delivery), rynek wyświetlaczy (ultra cienkie konstrukcje), słuchawek (szybkie ładownie), czy elektroniki konsumenckiej oraz urządzeń przemysłowych opartych o zasilanie bateryjne.

aplikacje usb c

Rys. Przykładowe aplikacje z zastosowaniem USB-C

Jak przeprowadzić migrację z portu micro-B na USB-C?


Firma STMicroelectronics zapewnia konstruktorom kompleksowe rozwiązanie, które pomaga im migrować aplikacje z portów USB typu Micro-B do portów typu C w oparciu o samodzielny kontroler portu USB typu C: STUSB4500L.

STUSB4500L to kontroler USB typu C, który obsługuje urządzenia typu sink. Moduł obsługuje tryb rozładowanej baterii i jest przeznaczone do urządzeń typu sink zasilanych ze rozładowaną baterią. Jest w stanie działać bez wsparcia zewnętrznego oprogramowania, co zapewnia szybkie włączenie aplikacji i natychmiastowe rozpoczęcie procesu ładowania. Przy połączeniu typu C, STUSB4500L wyszukuje pin CC do zakończenia SOURCE i monitoruje napięcie VBUS w celu ochrony aplikacji przed nieprawidłowym działaniem SOURCE.

migracja do usb c

Rys. Urządzenia typu SINK: Dlaczego rekomendujemy sterownik typu C?

Od strony hardwerowej w projektowaniu pomoże płyta ewaluacyjna do STUSB4500 – EVAL-SCS002V1. Może być ona używana jako mały projekt referencyjny do szybkiej migracji dowolnej aplikacji USB mini-B, micro-B lub STD-B na USB-C. Dostępne są również schematy i przykłady kodu źródłowego. Aby uzyskać więcej informacji skontaktuj się z masters@masters.com.pl.

migracja do usb c

Rys. Sterownik STUSB45 do USB-C

Jak przejść z niestandardowej wtyczki zasilającej lub złącza DC na USB-C?


Jeżeli planują Państwo projekt unowocześnienia aplikacji poprzez zamianę dedykowanej wtyczki na uniwersalne USB-C warto posłużyć się samodzielnym kontrolerem USB PD STUSB4500 do urządzeń typu SINK. Układ STUSB4500 jest mały, bezpieczny, posiada certyfikaty i jest łatwo konfigurowalny. Może być zasilany tylko z VBUS, dzięki czemu nie pobiera lokalnego prądu. Takie rozwiązanie zachowuje żywotność baterii. Płyta ewaluacyjna EVAL-SCS001V1 zapewnia szybką i łatwą migrację z DC do portów typu C. Można również pobrać schematy i przykłady kodu źródłowego. Aby uzyskać więcej informacji skontaktuj się z masters@masters.com.pl .

migracja do usb c

Rys. USB-C – przegląd rozwiązań firmy STMicroelectronics

Nowe produkty STMicroelectronics dla nowych aplikacji z USB-C


Oprócz zgodności z wymaganiami USB I/F, wymagane są specyficzne funkcje dla aplikacji. Celem jest zapewnienie bezpiecznej pracy oraz utrzymanie odpowiedniego poziomu ochrony niezależnie od przypadku użycia.

Ponieważ każda implementacja USB typu C jest inna i specyficzna dla aplikacji, STMicroelectronics oferuje kilka projektów referencyjnych. Dzięki tym przykładom można zmniejszyć czas i koszt rozwoju własnego projektu.

USB Typ-C i USB Power Delivery – opis rozwiązania


Zestaw demonstracyjny AEKD-USBTYPEC1 umożliwia ocenę stosu protokołu USB Power Delivery w wersji 2.0 zaimplementowanego w 32-bitowym mikrokontrolerze klasy samochodowej ASIL-B Power Architecture®.

Zestaw składa się z następujących płytek: płyta SPC58 MCU z między innymi CAN, LIN, Ethernet oraz płyta interfejsu zawierająca dwa kontrolery USB typu C (STUSB1702) dla dwóch oddzielnych portów. W górnej części płyty interfejsu znajduje się specjalne złącze dla zewnętrznych płyt zasilających, które mogą rozszerzyć dostępne profile zasilania (PDO). Wraz z tym dostarczane jest łatwe do dostosowania oprogramowanie: oprogramowanie wykonuje równoległe zadania w bezpłatnym systemie operacyjnym czasu rzeczywistego (RTOS).

usb c

Rys. USB-C – przegląd rozwiązań firmy STMicroelectronics