23 vuotena ensiesittelynsä jälkeen USB-liitännän leviäminen ympäri maailman elektroniikkateollisuutta on ollut ennennäkemätöntä. Nyt vuosittaiset toimitukset ovat yli kolme miljardia porttia, joten USB on selvästi yleisimmin käytetty liitäntätekniikka. Läppärit, tabletit, älypuhelimet ja monet muut laitteet nojaavat siihen latausvirran ja datan liikuttamisessa.
|
Artikkelin on kirjoittanut Mouser Electronicsin Mark Patrick. Hän tuli Mouserin palvelukseen kesällä 2014 työskenneltyään aiemmin RS Componentsilla markkinointitehtävissä ja sitä ennen Texas Instrumentsissa sovelluskehityksen tuessa. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Coventryn yliopistosta. |
USB:n toiminnot ylittävät selvästi sen, mitä tekniikka alun perin tarjosi. Sekä datanopeus että sähkötehotaso ovat kasvaneet useita kertaluokkia suuremmiksi. Tämän armottoman kehityksen takia USB on lähempänä kaikkialle tunkeutunutta kuin mikään muu liitäntäratkaisu koskaan.
C-tyypin liittimen ansiosta USB sai käyttöönsä kompaktimman ratkaisun. Tämä on hyödyttänyt erityisesti laitevalmistajia, jotka voivat kehittää ohuempia ja esteettisesti miellyttävämpiä suunnitteluja tuotteilleen. Tämä tarkoittaa myös, että (lopultakin!) liittimen asento suhteessa porttiin ei ole tärkeää liitettäessä, mikä aiemmin oli USB-tekniikan toteutuksessa iso turhautumisen syy.
Lisäksi tulevat USB:n kasvaneet datanopeudet. USB 3.1 -standardi siirtää dataa jopa 10 gigabitin sekuntinopeudella, mikä nostaa sen kaistanleveyden Ethernetin, DisplayPortin, HDMI:n ja vastaavien tasolle. Tämän ansiosta USB voi syrjäyttää nämä muut liitäntävaihtoehdot monissa sovelluksissa.
Tarjolle on suuri määrä huippuluokan puolijohdetuotteita, jotka auttavat suunnittelijoita tuomaan USB-liitännän tuotesuunnitteluihinsa. Microchipin USB7002 on neliporttinen USB 3.1 -yhteensopiva ohjainpiiri, joka suoriutuu kahdesta USB 3.1 Gen 1 -portista C-tyypin liittimillä sekä kahdesta USB 2.0 SuperSpeed -portilla vanhemmilla A-tyypin liittimillä. Ohjain toimitetaan 12 x 12 x 0,9 millimetrin VQFN-100-kotelossa, jonka avulla sen piirikorttiala pidetään minimissä. Ohjaimen sovelluskohteet löytyvät kodin mediakeskuksista ja ajoneuvojen viihdejärjestelmistä.
Cypressin C-tyypin moniportti- eli hubiohjain HX3PD on tarkoitettu käytettäväksi kannettavissa tietokoneiden ja tablettien telakointiasemissa, näyttötelakoissa ja vastaavissa ratkaisuissa. Sen suuri integraation aste tekee telakkasuunnitteluista virtaviivaisempia ja pitää komponenttien kokonaismäärän alhaisena. Jokaisessa piirissä on kaksi Arm Cortex-MO -ydint yhdessä 256 kilotavun Flash-muistin kanssa. Vanhempien USB-standardien (High-Speed, Full-Speed, jne.) tuki takaa taaksepäin yhteensopivuuden. Mukana ovat myös I2C-, SPI-, UART- ja GPIO-liitännät, mikä lisää monikäyttöisyyttä. Piirin ohjelmoitavuus tarkoittaa, että se voidaan päivittää tukemaan USB-määritysten mahdollisia muutoksia tulevina vuosina.
Kuva 1: Microchipin USB7002.
USB-liitännän kasvanut datanopeus herättää tietenkin kysymyksiä signaalin eheydestä. Tästä tulee erittäin tärkeä kysymys, kun siirretään HD-videosisältöä pitkien matkojen yli. Värinä, ylikuuluminen ja kanavahäviöt pitää kaikki ottaa huomioon. NXP:n CBTU02043-piirin nastoitus on optimoitu eliminoimaan signaalin ylikuuluminen. Tämän USB 3.1 -määrityksiä tukeva multiplekserikytkimen liitäntähäviö on alhainen (-1.4dB @ 5GHz ja -0.5dB @ 100MHz), ja myös paluuhäviö on alhainen (noin -16dB @ 2.5GHz). 2 kilovoltin ESD-suojaus (HBM-malli) on myös avainominaisuus.
Texas Instrumentsin kaksikanavainen, kaksisuuntainen differentiaalinen HD3SS3212x-kytkinpiiri on tarkoitettu C-tyypin USB-suunnitteluihin ja se tukee sekä USB 3.1 Gen 1- että Gen 2 datanopeuksia. Sen ylikuulumisarvo on -32dB (tyypillinen) ja paluuhäviö -12dB. Vahvat dynamiikkaominaisuudet tarkoittavat, että piiri voi kytkeä dataa nopeasti ilman merkittävää värinää.
Kuva 2: Texas Instrumentsin HD3SS3212x-piiri.
Kyse i ole kuitenkaan vain datanopeudesta ja signaali-kohinasuhteesta. Kkyky siirtää lataustehoa ja dataa saman liitännän läpi on aina ollut iso osa USB:n charmia ja se on myös ollut keskeinen tekijä standardin pitkäaikaisessa menestyksessä. Viime vuosina USB:n kyky siirtää lataustehoa on kasvanut merkittävästi. USB Power Delivery- eli tehonsiirtomäärityksen 3.0-laajennus nosti tehotasot huimaavaan 100 wattiin, mikä on suuri parannus alkuperäisen standardin 2,5 watista.
Osana uusinta laajennusta latauksen suuntaa ei ole enää määrätty. Ladattava laite voi oikeissa olosuhteissa toimia tehonlähteenä. STMicroelectronicsin autonominen C-tyypin USB-tehonsiirto-ohjaimeen STUSB47 on sisäänrakennettu älykkyys, joka tarvitaan havaitsemaan liitetty ladattava laite sekä mittaamaan sille syötettävä teho, ja tämä kaikki tapahtuu ilman järjestelmän mikro-ohjaimen puuttumista prosessiin. Tämä tekee koko prosessista merkittävästi tehokkaamman. Ohjain tukee kaikkia USB PD -profiileja ja on täysin yhteensopiva USB PD -määrityksen 2.0-laajennuksen kanssa.
3.0-laajennuksen mukaisesti FTDI Cipin USBC-tyypinen siltapiiri FT4233H, joka esiteltiin loppuvuodesta 2018, voi syöttää 3 ampeerin virtaa samalla kun siirtää dataa jopa 40 megabitin sekuntinopeudella. Kättely ja tehonmittaus tehdään piirille integroiduilla 32-bittisillä PD Policy- ja USB-protokollapiirin avulla, mikä varmistaa sen, ettei mikro-ohjaimen tarvitse varata resurssejaan näitä tehtäviä varten eikä sen suorituskyky heikkene tämän takia. Koska piiri tukee kahta C-tyypin porttia, voidaan tehonsiirto järjestelmässä kääntää. Näin aiemmin ladattu laite voi käynnistää tehonsyötön muihin laitteisiin. Tämä voidaan tehdä välittömästi ilman, että datansiirtoon tulee keskeytyksiä. Konfiguroitava portti voi toimia syöttötehon vastaanottimena tai lähteenä (ja jopa molemmissa rooleissa) kun toinen portti toimii pysyvästi virransyötössä.
Viime vuoden lopulla markkinoille tuotiin myös Diodes Inc:n AP22815- ja AP22615-piirit. Nämä 3 ampeerin yksikanavaiset USB-tehokytkimet suojaavat kannettavia elektroniikkalaitteita ja tietokoneen oheislaitteita how swap -liittämisissä, kun jännitetasot nousevat. FTDI:n piirien tavoin ne ovat täysin yhteensopivia uusiman USB-tehonsiirtostandardin kanssa. Mukana on suojausmekanismit ylijännitteelle, ylivirralle, oikosululle ja ylikuumentumiselle, sekä alijännitekatkaisulle ja ohjatulle nousuajalle, sekä lisäksi purkutoiminto ulkoisen tallennuksen kondensaattoreille. TSOT25-kotelossa toimitettuja AP22815-piirissä on kiinteä virranrajoitus, kun taas AP22615-piiri toimitetaan TSOT26-kotelossa ja säädettävällä virtarajalla. Yhtiön oman kuparilämpönystyihin perustuvan koteloinnin ansiosta piireillä on erittäin alhainen resistanssiarvo (tyypillisesti 40mΩ). Ne pystyvät myös havaitsemaan teholinjan saatavillaolon (tai puuttumisen) vain 150 mikrosekunnissa.
Kuva 3: Diodes Inc:n AP22815-piiri.
Sekä kuluttajien että laitevalmistajien mieliksi uusimmat USB-ratkaisut pystyvät sekä kasvattamaan suorituskykyä että lisäämään käytön miellyttävyyttä. Edessä on kuitenkin merkittäviä esteitä esimerkiksi suhteessa datan turvaamiseen ja turvallisuuden varmistamiseen suuritehoisissa latausmoodeissa. On myös joitakin OEM-valmistajien yhteensopivuushaasteita, jotka pitää ratkaista, sillä toiset kulutuselektroniikan laitevalmistajat eivät esimerkiksi salli pikalatausta, kun heidän laitteensa on liitetty kilpailijoiden laitteeseen. Tämä sotii koko USB:n ideaa vastaan ja on toivottavaa, että ongelma ratkaistaan nopeasti.
USB-standardissa 3.2-määritys lisäsi datalinjojen määrää kaistanleveyden kasvattamiseksi, jolloin päästiin 20 gigabitin datanopeuteen. Näidenkin laitteiden suunnittelussa on omat haasteensa signaalineheyden, jännitepiikkien, ESD-piikkien ja EMI-häiriöiden kanssa.
Kun suurteholaskennan (HPC) työkuormat monimutkaistuvat, generatiivinen tekoäly sulautuu yhä tiiviimmin moderneihin järjestelmiin ja lisää kehittyneiden muistiratkaisujen tarvetta. Vastatakseen näihin muuttuviin vaatimuksiin ala kehittää uuden sukupolven muistiarkkitehtuureja, jotka maksimoivat kaistanleveyden, minimoivat latenssin ja parantavat energiatehokkuutta.
