JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.

USB-liitännän C-määritys esiteltiin elokuussa 2014 ja se on tuonut selvästi lisää ominaisuuksia väylään. Jotta uusista ominaisuuksista saisi edun, voi USB-portin toteuttamisen hinta kasvaa merkittävästi. On kuitenkin mahdollista suunnitella C-tyypin liitäntä kustannustehokkaasti.

 Artikkelin kirjoittaja on Microchip Technologyn sovellusinsinööri Andrew Rogers. Hän tarjoaa suunnittelijoille ohjeita siitä, kuinka siirtää USB 2.0- ja 3.0-suunnittelut C-tyypin USB-kaapeliin.

Perustason C-tyypin UFP-liitäntä (upstream facing port) voidaan toteuttaa muutamalla erilliskomponentilla, jotka tekevät siirtymisen vanhoista B-, mini-B- ja mikro-B-tyypin liitännöistä yksinkertaisiksi ja edullisiksi.

USF-portti on laitepuolen portti, joka voidaan ladata tai virtaistaa tai jättää lataamatta Vbus-väylästä. Minimissään UFP-liitännässä täytyy olla USB 2.0-laiteliitäntä ja sen täytyy pystyä lukemaan resistoreja CC-nastoissa (signaalinohjausnastat). Vaihtoehtoisesti UFP voi myös havaita kaapelin liittämisen ja suunnan, mikäli liitännässä ei toteuteta USB 3.0- tai 3.1-määritystä, ja havaita laiteportin (DFP, device facing port) virtakyvyn, mikäli UFP kuluttaa vain vanhan ”legacy-USB:n” virtakuorman.

C-tyypin USB

C-tyypin USB-kaapeli on USB-IF-järjestön kehittämä 24-nastainen molemmin päin istuva liitäntä. Kaapeli on yleiskaapeli, joka vastaa monia tietokone-, näyttö- ja lataussovellusten tarpeita. C-tyypin kaapelin pitkän tähtäimen suunnitelma on korvata kaikki aiemmat USB-kaapelit ja parantaa liitännän ominaisuuksia suuresti.

USB:n tehonsyöttö- (PD, power delivery) ja ns. vaihtoehtoinen moodi- eli alternate mode -ominaisuudet laajentavat USB-standardin käyttömahdollisuuksia entisestään. PD:n eli tehonsyötön ja vaihtoehtoismoodin toteuttamisen kustannukset ovat kuitenkin paljon vanhoja USB-suunnitteluja korkeammat, eikä näitä ominaisuuksia tarvita kaikissa sovelluksissa.

Jos katsotaan USBC-liitännän nastoitusta (kuvassa 1), kaksi USB 2.0:n differentiaaliparia liittimessä liittyvät vain yhteen differentiaalipariin standardissa USB 2.0 -liitännässä tai kaikki toiminnot sisältävässä C-tyypin kaapelissa. Tyypillisessä suunnittelussa D+- ja D--nastat vain liitetään piirikortilla oikosulkuun niin, ettei multiplekseriä tai kytkintä tarvita.

Kuva 1. C-tyypin USB-liitännän nastoituskaavio.

Toista nastaparia B6-B7 voidaan käyttää vain telakointityyppisissä sovelluksissa, joissa vain yksi suunta on mahdollinen.

Oletusarvoisesti vain yhtä lähetys- ja vastaanottonastaparia (TX ja RX) käytetään USB 3.0- ja 3.1-dataliikenteeseen, riippuen kaapelin liitäntäsuunnasta. Kaapelin molemminpuolisuudesta johtuen USB 3.0- ja 3.1-linjat täytyy uudelleenreitittää liitännän suunnan mukaisesti. Tyypillisessä sovelluksessa voidaan käyttää esimerkiksi 2:1-multiplekseriä tämän saavuttamiseksi.

C-tyypin UFP-perusliitännässä CC-nastoja käytetään havaitsemaan kaapelin suunta ja C-määritysten mukainen virran käytettävyys. SBU-linjat ovat hitaampia signaalijohtimia, joita käytetään vain vaihtoehtois- eli alternate mode -käytössä

UFP:n toteuttaminen

C-tyypin USB:n UFP-liitännän perustasoisin ja edullisin toteutus vaatii kolme komponenttia: USB 2.0-laitteen tai -keskittimen portin isännän suuntaan (upstream), C-tyypin liittimen ja CC-nastan (ohjaussignaalilinjan) alasvetoresistorit.

USB 3.0- ja 3.1-laitteen tai -keskittimen sekä C-tyypin virransyöttöominaisuuden havaitsemisen toteuttaminen vaatii seuraavat komponentit: USB 3.0- tai 3.1-laitteen tai -keskittimen portin isännän suuntaan, C-tyypin liittimen, ohjaussignaalilinjan alasvetoresistorit, USB 3.0:n tai 3.1:n 2:1-multiplekserin sekä ohjaussignaalilinjan komparaattorit.

Liitäntäsuunnan havaitsemiseksi tarvitaan vähintään yhtä komparaattoria määrittelemään C-tyypin liittimen suunta ja ohjaamaan USB 3.0- tai 3.1-multiplekseriä. C-tyypin virransyöttömahdollisuuden havaitsemiseksi tarvitaan kaksi komparaattoria 1,5 ampeerin virran havaitsemiseen, kaksi komparaattoria 3 ampeerin virran havaitsemiseen tai neljä komparaattoria molempien havaitsemiseen.

Kuva 2 näyttää C-tyypin UFP-liitännän 3 ampeerin virrantunnistuksella.

Kuva 2. USB 3.0- tai 3.1-järjestelmän UFP-liitäntä 3 ampeerin virrantunnistuksella.

Liitännässä voidaan käyttää mitä tahansa USB-yhteensopivaa USB 2.0- tai 3.1- ja 3.1-laiteporttia tai -keskitinporttia ja mitä tahansa standardia 24-nastaista C-tyypin liitintä.

UFP:n pitää liittää molemmat ohjaussignaalinastat (CC) maahan (GND) Rd-resistorin kautta. DFP-laiteliitännän täytyy toteuttaa Rp-ylösvetoresistori 5 tai 3,3 volttiin. Kun tehdään DFP-UFP-liitäntä, muodostuu resistorijakain, ja CC-nastan jännite voidaan mitata ja tämän perusteella tulkita liitännän tyyppi. Resistorin sijaan voidaan käyttää jännitepuristinta, mutta tällöin ei voida tunnistaa virransyöttö- eli latausmahdollisuutta.

Komparaattorit

UFP-liitännässä ei tarvita mikro-ohjainta, mutta CC-nastojen jännitteitä pitää monitoroida, jotta havaitaan liittimen suunta ja jos halutaan virransyötössä havaita, mikäli virta putoaa alle vanhojen USB-liitäntöjen tasojen. Tämä havaitseminen on yksinkertaista toteuttaa komparaattoreilla.

Yhdellä komparaattorilla CC1- tai CC2-nastassa ja 0,25 voltin referenssijännitteellä voidaan tunnistaa kaapelin suuntaus. Jos esimerkiksi Vbus-nastaan tulee virta ja CC-johto on liitetty CC1-nastaan, ei komparaattorin lähtöä voida esittää ja UFP tietää, että kaapeli on liitetty kääntämättömässä suunnassa (unflipped). Jos Vbus-nastaan tulee virta ja CC-johdin on liitetty CC2-nastaan, ja CC2:n jännite ylittää 0,25 volttia, komparaattorista saadaan lähtö ja UFP tietää, että kaapeli on liitetty käännetyssä asennossa.

Mikäli tarvitaan suurempaa kuin vanhan USB:n virtaa, voidaan käyttää lisäkomparaattoreita tunnistamaan DFP-portin virtakyvykkyys. C-tyypin määritelmä määrittää jänniteskaalan CC-nastassa, joka signaloi DFP-portin virtakyvykkyyden.

Latausvirran havaitsemisen mittaaminen täytyy estää ennenkuin DFP-virran ilmoitus voidaan kvalifioida. Kun tämä tunnistus on kvalifiointi, pitää UFP-portin säätää kuormansa.

Signaalin multiplekseri

USB-signaalien liittämiseen C-tyypin liittimeen on useita vaihtoehtoja ja USB 2.0-, 3.0- ja 3.1-sovellusten välillä on pieni eroja.

Jykevin – tai robustein – menetelmä USB 2.0 -sovelluksille on käyttää USB High-Speed -kytkintä kontrolloimaan USB-signaalien reititystä. Microchipin USB3740-kytkin on kustannustehokas laite tähän käyttötarkoitukseen ja se tuo mukanaan monia etuja: äärimmäinen ESD ±15kV, pieni virrantarve 5µA (on) ja 1µA (off), off-tilan eristys alle -40 bB, suuri kaistanleveys jopa 1 gigahertsiin asti, signaalin eheyden säilyttäminen ja pieni kotelo (1,3 x 1,8 mm), sekä 10-nastainen DFN-kotelo 0,4 millin nastoitusvälillä.

Yksinkertainen menetelmä on liittää liittimen DP- ja DM-nastat yhteen (oikosulkuun). Tällöin vain yksi DP-DM-pari kerrallaan on liittimessä aktiivinen.

Tämä toteutus kuitenkin heikentää USB-signaalien eheyttä, koska USB-johtimet täytyy haaroittaa. Ainoa käyttökelpoinen vaihtoehto USB 3.0- ja 3.1-porteille on käyttää Super-Speed USB 3.0- ja 3.1-kytkintä USB-signaalien reitityksen ohjaamiseen, ks. kuva 3.

Kuva 3. Lohkokaavio USB 3.0- ja 3.1-liitännästä, joka käyttää Super-Speed -multiplekseriä.

Vaikka USB-portin toteutuksen kustannus voi kasvaa merkittävästi C-tyypin liitinmäärityksen myötä, edulliset suunnittelut ovat mahdollisia. Kuten edellä on kuvattu, C-tyypin perustason USB-liitäntä voidaan toteuttaa muutamalla erilliskomponentilla.

Kuinka pysäyttää tappajarobotit?

Kun autonomisista autoista tulee todellisuutta ja eri puolilla maailmaa testataan robottiautoja, yhä useampi alkaa kysyä etiikkaan ja vastuuseen liittyviä kysymyksiä. Suunnittelijat ovat kuitenkin painineet eettisten ongelmien kanssa jo vuosia osana tekniikan kehitystä.

Lue lisää...

Suojaus kannattaa aina tehdä raudalla

Kaikki alkaa luottamuksesta, kuului aikoinaan saksalaisen pankin mainosslogan. Mitä arvokkaampaa data on tai mitä monimutkaisempi järjestelmä on, sitä vaikeampi luottamus on varmistaa. Sama pätee sulautettuihin järjestelmiin.

Lue lisää...
 
ETN_fi Nokia vie 5G:tä Japaniin. https://t.co/E3b6PdwomH
ETN_fi Abloy Focus Forum: Hybrid operations is the new normal. Aapo Cederberg. #cip #focusforum https://t.co/Tt7nJMCbOK
ETN_fi Facebookilla on jo 2 miljardia aktiivista kk-käyttäjää. Q1:llä yhtiö teki 8 miljardin myynnillä 3 Mrd voittoa. https://t.co/nTw7HGx6gA
ETN_fi DIMECC on julkaissut kaksi opaskirjaa ohjelmistoyrityksille parhaista käytännöistä. Ks. https://t.co/m6VgKCJ19e
ETN_fi Embedded World avasi ovensa tänään. ETN uutisoi messuilla laajasti. https://t.co/LoXBmMsTe7