Вас угораздило купить компьютер со «смартфонным» разъёмом USB-C: что теперь к нему подключать
USB Type-C еще не вошёл прочно в нашу жизнь, но некоторые производители уже проталкивают его очень агрессивно. Во главе идёт Apple с её ноутбуками, у которых в новых поколениях кроме USB-C больше ничего. Всё «лишнее», кроме этого порта, убрано и с некоторых ультрабуков других компаний. Что делать, чтобы получить от нового стандарта максимум? Читайте в нашем материале.
USB-C не с неба свалился, а стал эволюцией привычных разъёмов USB, которые, судя по тенденции в смартфонах и ноутбуках, отойдут в прошлое и уступят место именно этому симметричному компактному аналогу.
Разновидности разъёмов USB
Griffin BreakSafe
Самое обидное для фанатов Apple MacBook не столько то, что все разъёмы на новых лаптопах уступили место USB Type-C. Хуже всего, что даже магнитный порт для зарядки, который не позволял зарядному кабелю обрушить ноутбук на землю, также ушёл в небытие. Но хитрые и предприимчивые люди вместо того, чтобы жаловаться, просто запустили в производство свой вариант кабеля USB Type-C, один из концов которого состоит из двух частей, соединённых — правильно, магнитами. Замените им свой стандартный кабель и больше никогда не уроните «макбук», случай задев провод от адаптера питания. В России кабель Griffin BreakSafe продают по цене от 2600 рублей.
Монитор с USB Type-C видеовходом
Для тех, кто не любит лишние адаптеры и переходники на компьютерном столе, будет приятно узнать, что уже сейчас есть мониторы, которые поддерживают подключение по USB Type-C. Самое интересное, что этот интерфейс поддерживает не только передачу видеопотока, но и позволяет одновременно передавать и обычные данные. Таким образом, вы сможете использовать монитор и как USB-хаб для подключения флешек-камер-жёстких-дисков-принтеров, все данные будут передаваться по одному кабелю.
Флешка с USB Type-C и обычным USB Type-A
SanDisk Dual USB Drive Type-C
Процесс перехода с привычного USB Type-A на новый-свежий USB Type-C нельзя назвать быстрым, и, кажется, он продлится еще не один год. В связи с этим лучшим приобретением может стать флешка. Но не просто флешка, а та, которая оснащена сразу и старым, и новым разъёмами. Это поможет на несколько лет вперёд избавить вас от головной боли, как перекинуть информацию с более нового ноутбука на более старый и наоборот.
Хаб с различными разъёмами и кард-ридером
Satechi Type-C USB 3-in-1 Combo Hub
Если вы рисковый парень или девушка, и уже взяли один из этих новеньких ноутбуков, у которых кроме USB Type-C ничего больше нет, то не беспокойтесь. Вы не обречены носить с собой десяток различных переходников и перебирать их каждый раз, как заправский грабитель перебирает отмычки. Например, можно присмотреться к стильному хабу Satechi. Один порт USB Type-C он превращает в три USB Type-A, а также два кард-ридера: для microSD и просто для SD. Но бывают и другие варианты, например, с видеовыходами. Правда, его жуткая цена от 3700 рублей заставляет задуматься о поиске аналога где-нибудь в Китае.
Внешний SSD
Plextor EX1 256GB
Проблема с современными ноутбуками заключается в том, что SSD в них зачастую распаян на материнской плате и не подлежит апгрейду, а если подлежит, то ради этого придётся перетряхнуть все потроха ноутбука. Поэтому, если вам хочется больше места, то единственное решение — купить более дорогую версию того же ноута с более ёмким SSD. Но, на самом деле, выход есть — внешний накопитель. И если вы уже слишком привыкли к быстрой скорости и моментальному отклику твердотельных накопителей, то можно приобрести такой и внешний — благо пропускная способность USB Type-C (3.1 или даже Thunderbolt) не станет бутылочным горлышком для SSD. В продаже их уже большое количество, а размеры некоторых сопоставимы с обычной зажигалкой.
Распиновка USB разъема (2.0, 3.0, Micro, Mini и Type-C)
USB (“универсальная последовательная шина”) — это интерфейс передачи данных с внешних носителей к компьютеру, устанавливая подключение и взаимообмен между ними. Сегодня без него не обходится большинство гаджетов. USB выпускается с 1996 года и на данный момент считается стандартным.
На данный момент существует четыре поколения спецификаций USB: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x и USB4.
USB делится на 2 типа: А и В. В первую группу входят активные (подключаются к “маме” и дают питание), в другую (подключаются к “папе”, это подключаемые устройства) — пассивные.
Помимо типов, USB разделяется на “папу” (Male) и “маму” (Female).
Распиновка USB разъема
На схеме представлены распиновки разных вариаций USB. Можно увидеть что на «розетке» и «вилке» USB A и В есть 4 контакта. Отметим, что расположение контактов зеркальны, но при пайке на это лучше не ориентироваться, так как очень легко ошибиться. В таком случае есть совет: посмотрите распиновку вашего USB.
У USB Mini уже 5 контактов (5 обозначен x).
Распиновка micro USB разъема для зарядки колонки
micro USB — самый популярный вид разъема в наши дни. Современнее и меньше чем Mini, что позволило получить ему большее признание.
Распиновка micro USB разъема для зарядки колонки аналогична телефону, но здесь нет перемычек и резисторов. На изображении распиновки показано, что отсчет начинается слева направо, имеется 5 контактов. Как правило, USB на некоторых видах колонок не предназначено для передачи информации. Его основная функция — заряжать. Здесь представлена самая обычная модель колонки, используемая в машинах. У нее имеется 3 вывода: microUSB, аудиоштерек и USB (AM) на 4 контакта.
Красный контакт (+5V) micro USB подключается к красному контакту USB AM, проделываем тоже самое с черным контактом (GND).
Контакты белый (D-), зеленый (D+) и фиолетовый (может обозначаться по-разному, ID) присоединяется с аудиоштекеру.
Распиновка USB на материнской плате
USB на материнской плате позволяет внешним источниками производить подключение и обмен данными между собой.
Проблема здесь заключается в том, что нет определенной схемы разъемов, так как на каждой материнской плате все индивидуально в этом плане.
На материнской плате может использоваться как спецификация USB 2.0, так и 3.0. Последняя более усовершенствована и встречается в более новых материнках.
USB 2.0 считается более доступным, поэтому он всегда будет находиться на материнской плате.
Чуть дальше мы рассмотрим распиновки USB 2.0 и 3.0 отдельно.
USB 2.0 возможно преобразовать в 3.0. На схеме видно, чтобы совершить данную идею, надо правильно соединить контакты. Красные контакты (+5V) 2.0 подсоединяем в таком порядке:
- 1 (USB 2.0) -> 17 (USB 3.0);
- 2 (USB 2.0) -> 20 (USB 3.0).
Подсоединение белого контакта (D-):
- 3 (USB 2.0) -> 6 (USB 3.0);
- 4 (USB 2.0) -> 4 (USB 3.0).
Подсоединение зеленого контакта (D+):
- 5 (USB 2.0) -> 1 (USB 3.0);
- 6 (USB 2.0) -> 3 (USB 3.0).
Последние черного контакта (GND):
- 7 (USB 2.0) -> 5 (USB 3.0);
- 8 (USB 2.0) -> 8 (USB 3.0).
Также нужно соединить контакты 10 и 12 на USB 3.0 и сделать перемычку 3, 6 и 8 на USB 2.0.
Распиновка mini USB
Mini USB позволяет передавать данные на ПК, а также заряжать устройства. На данный момент сложно найти этот вид разъема у современных гаджетов, но он все же применяется в съемочной аппаратуре (камеры и т.д.). Скорость передачи информации составляет до 480 Мбит/с.
У него присутствует 5 контактов (+5V, D-, D+, GND, ID). Контакты при “маме” находятся сверху (отсчет справа налево), а при “папе” — снизу (отсчет слева направо), как и во всех других USB.
Распайка USB
Распайку рассмотрим на примере USB 3.0 типа А.
Видно, что здесь есть 9 контактов (+5V (здесь обозначен как VCC), D+, D-, GND, RX-, RX+, TX-, TX+, GND Drain).
Контакты RX и TX отвечают за прием и передачу информации. VCC и GND, в свою очередь, отвечают за питание.
USB Type C распиновка
USB Type разделяется на А, В, В (mini), B (micro) и C.
ЮСБ Type A и B имеют по 4 контакта:
- +5V;
- D-;
- D+;
- GND.
К USB Type B mini и micro, а также Type С добавляется еще один контакт — ID.
У USB есть “вилка” и “розетка”. На распиновке “розетка” находится слева, а “вилка” — справа.
Примечательные особенности USB-C:
- Есть перекидной разъем. Он разработан таким образом, что вилку возможно переместить относительно розетки.
- Есть поддержка USB 2.0, 3.0 и 3.1 Gen 2,а также сторонние протоколы (например, HDMI), в альтернативном режиме.
Благодаря этому устройства способны самостоятельно согласовать и определить необходимый поток мощности через интерфейс.
- USB Type C способен передавать изображение и аудио
- Может выдерживать большие токи, поэтому существует возможность запитывать много устройств одновременно.
С учетом всех вышеописанных преимуществ можно назвать usb type-c поистине универсальным разъемом будущего. Он способен заменить почти любой существующий коннектор. Сейчас, к примеру, компания apple выпускает модели ноутбуков, наделенными лишь type-c разъёмами.
Распиновка micro USB разъема для зарядки телефона
Каждый сталкивался с проблемой, когда зарядник отказывался заряжать телефон, как его не крути. Вариантов такого поведения может быть множество: начиная от сгорания внутренностей адаптера, до отсутствия контакта в разъеме.
Консорциум USB, принял новый стандарт, известный как micro-B, меньший по размеру USB-разъем, который будет использоваться в первую очередь на небольших портативных устройствах, где пространство ограничено (например, сотовые телефоны). Разъем micro USB составляет примерно половину высоты разъема mini USB, что позволяет более тонким устройствам иметь доступ к USB.
На распиновке представлен micro USB, которым часто пользуется компания Samsung. Здесь можно видеть, что контактов 5 (присутствует ID), отсчет идет справа налево, а также имеется перемычка между зеленым (D+) и белым (D-) контактами.
У того же самсунга можно встретить перемычку не только на белом (D-) и зеленом (D+), но и на черном (GND) и фиолетовом (ID) с использованием резистора.
Это нужно для того, чтобы сделать требуемое напряжение (у всех устройств эта цифра разная, но в большинстве случаев сопротивление должно быть до 200 кОм).
Благодаря этому устройство понимает когда подавать ток и в каком количестве.
Распиновка USB 2.0
USB 2.0 — самый распространенный разъем. Поддерживается на всех ОС (что не скажешь о 3.0). Очень удобен, ведь его провод тонкий и длинный. Сила тока составляет 500 мА, она достаточно мала, так как на рынке уже есть более усовершенствованные модели USB, обеспечивающие быстроту передачи данных.
Теперь остается вопрос, как это устройство функционирует? Работа происходит через асинхронный последовательный протокол, что подразумевает отсутствие общих часов между адресатом и адресантом. Любой девайс, который подключается к USB-порту, работает через этот протокол. Если микроконтроллер или микропроцессор имеют возможность поддерживать USB-хост, то это позволяет нам подключить любое USB-устройство, например, клавиатуру и т.д.
Чтобы сделать обмен данными между этим устройством и хостом (uP или uC), когда USB-устройство подключено, сначала дескриптор устройства сообщает хосту, что такое идентификатор поставщика и идентификатор продукта, который используется для загрузки определенного драйвера для устройства, затем идет дескриптор конфигурации, который в основном используется для определения значений энергопотребления, затем есть дескриптор интерфейса, ведущее устройство может быть принтером, сканером или флэш-накопителем USB, этот дескриптор отвечает за определение того, что это за устройство, наконец, есть дескриптор конечной точки; этот дескриптор используется для определения скорости типа передачи, пропускной способности размера пакета и т. д. Имеется четыре конечных точки для низкоскоростного устройства USB 2.0 и 16 для высокоскоростного устройства USB 2.0.
Поговорим про D. Их по два, (+ и -), так как USB C предполагается возвратным. Если подключить вилку в обе стороны, и это будет считаться действительным соединением USB 2.0, потому что usb 2.0 не выполняет согласование закрепления. Поверните штекер на 180 градусов, и эти контакты подключаются в том же порядке. Ваша плата должна соединять оба вместе для максимальной связи.
Идентификационного контакта нет, так как он применяется только на вилках. В USB C с этим справляются контакты CC, и подключение их к GND с помощью резистора 5K создает режим OTG HOST на противоположной стороне соединения.
На этой распиновке можно увидеть распределение контактов на материнской плате. Видно, что красный контакт — это 1 и 2 разделение, белый — 3 и 4, зеленый — 5 и 6, черный — 7, 8, 10. 9 контакта тут нет. Контакты находятся друг под другом.
Распиновка USB 3.0
Начнем с того, что USB 3.0 намного мощнее 2.0. Сила тока у 3.0 до 900 мА, что позволяет заряжать устройство намного быстрее, а также больше гаджетов. Несмотря на то, что 3 поколение свежее, толщина его провода больше, а длина меньше. Есть проблемы с поддержкой на ОС. Дело в том, что не все операционки хотят его использовать, так как он является самым дорогим из возможных вариантов. Но даже его дороговизна окупается одним существенным фактом — передача информации в две стороны происходит на максимальной скорости.
Контакты USB 3.0 на плате диагональны.
Распиновка USB по цветам
В USB есть контакты, обозначенные цветами. В обычном варианте в разъеме имеется 4 контакта, а в mini и micro — 5.
- Красный проводник +5V предназначен для питания (максимальный ток питания не превышает 500 мА). Напряжение +5V относительно контакту GND.
- Черный контакт предназначен для “земли”. Имеет значение 0V.
- Белый контакт подсоединяется к минусу.
- Зеленый контакт подсоединяется к плюсу.
Порядок в классическом варианте контактов такой: красный, белый, зеленый, черный.
В mini и micro: красный, белый, зеленый, ID (может обозначаться по-всякому — фиолетовый, черный крест на белом фоне), черный.
Работа контакта ID заключена в двух типах по-разному. Например, в типе А он должен сохранять функцию OTG, а вот в типе В его нет.
Общая цоколевка USB разъема
Рассмотрим провод, который идет от разъема USB, потому как он полностью репрезентирует его цоколевку. Провод состоит из четырех контактов: плюс и минус питания (красный и черный), плюс и минус шины данных (белый и зелёный). Эти контакты можно соединять с другими.
Интересное видео на эту тему от наших коллег — «Радиолюбитель»:
Распиновка usb на материнской плате
Распиновка usb на материнской плате — для того, чтобы пользоваться USB-входами установленными спереди системного корпуса, вначале их нужно подсоединить к системной плате персонального компьютера. В данной публикации речь пойдет о том, как правильно организовать и выполнить такое соединение.
Современные материнские платы сейчас в основном выпускаются с четырьмя, шестью или восемью USB-коннекторами. Но устанавливаются непосредственно в системную плату, как правило всего лишь два или четыре разъема с тыльной стороны. В связи с этим, в большинстве случаев мы имеем пару портов USB оставшихся на системной плате. Эти коннекторы обычно выполнены в девяти или десяти-пиновом разъеме.
Распиновка usb на материнской плате
Одна из наиболее существенных проблем состоит в том, что мировые производители не используют общий стандарт материнских плат при их изготовлении. Поэтому, назначение каждого пина в разъемах от различных изготовителей плат, могут отличаться по функциональности от системных плат от другого бренда. По этой причине, для любого провода USB-коннектора на фронтальной панели корпуса системника применяют персональные разъемы.
Распайка коннектора USB 2.0 на материнской плате
На каждом корпусе разъема имеются специальные обозначения вот такого вида: + 5V, D+, D- и GND (корпус), но значения могут и немного по другому указываться, хотя суть одна и та же.
| № pin | Цвет проводов | Название | Описание |
|---|---|---|---|
| 1 | Красный | 5V,VCC,Power | Питание |
| 2 | Красный | 5V,VCC,Power | Питание |
| 3 | Белый | D- | Данные- |
| 4 | Белый | D- | Данные- |
| 5 | Зелёный | D+ | Данные+ |
| 6 | Зелёный | D+ | Данные+ |
| 7 | Черный | GND | Земля |
| 8 | Черный | GND | Земля |
| 9 | — | Key(Нет пина) | Ключ |
| 10 | Серый | GND | Земля |
Все, что вам нужно сделать, это установить каждый из проводов (+ 5V, D +, D- и GND) в правильные места, как показано выше.
Как начать использовать USB Type-C в своих разработках
В современных embedded-устройствах используется огромное количество различных разъемов, таких как USB Type-B, miniUSB, microUSB и так далее. Все они отличаются форм-фактором, максимальной пропускной способностью и другими различными характеристиками. Самым верным решением в данной ситуации было бы минимизировать количество используемых разъемов и остановиться на каком-то одном, «едином» для большинства разработок. Наиболее перспективным выглядит использование разъема Type-C. В нем объединены невероятная пропускная способность с высокой мощностью питания. Такие производители, как Apple, Huawei, Sony уже внедряют разъем Type-C в свои разработки, постепенно отказываясь от использования «старых» разъемов. А чем embedded-разработчики хуже?
В данной статье мы приведем общую информацию, необходимую для практического применения Type-C. Наиболее полезной она будет для новичков в сфере embedded, но надеемся, что каждый найдет в ней что-то интересное.
Почему Type-C?
Если так получилось, что вы не доверяете выбору разработчиков таких интерфейсов, как USB4, Thunderbolt 3 (TBT3), DisplayPort 2.0 (DP) (все они работают через USB Type-C), то в Интернете достаточно много статей, описывающих различные преимущества разъема Type-C, более подробно можно почитать тут и тут. Мы же хотим представить вам небольшую, но полезную «шпаргалку», содержащую основные характеристики и примеры практического применения.
Далее будут приведены основные характеристики разъема Type-C, которые необходимо знать.
Структура разъема
В Type-C реализовано множество функций для различных пинов:
Рассмотрим их назначение:
VBUS – источник питания для устройства
Описание: существует множество различных режимов передачи питания: от 5 В – 500 мА (2,5 Вт) до 20 В – 5 А (100 Вт). Но просто так заставить устройство работать на питании 20 В не получится, к тому же это было бы небезопасно. Для согласования напряжения между устройством и источником, значение которого превышает 5 В, используется протокол Power Delivery (PD). Без использования данного протокола максимальная мощность, которую может выдать хост-устройство, составляет 15 Вт (5 В – 3 А). Этого вполне достаточно практически для любого embedded-устройства, но, к сожалению, данное значение мощности (15 Вт) зависит от конфигурации хост-устройства и не всегда может быть достигнуто.
Power Delivery (PD) – это стандарт, устанавливающий роли «источник/потребитель» между устройствами, а также оптимальный уровень мощности между ними. Более подробно про данный протокол можно прочитать в этой статье.
Характеристики:
- максимальная мощность без использования протокола PD – 15 Вт (U = 5 В, I = 3 А);
- максимальная мощность с использованием протокола PD – 100 Вт (U = 20 В, I = 5 A).
CC1/CC2 – Configuration Channel (CC)
Описание: именно эти пины отвечают за определение ориентации подключения кабеля. Также один из этих пинов, в зависимости от ориентации подключения кабеля, становится источником питания (Vconn) для внутренних интегральных схем подключаемого активного кабеля. Общение между устройствами по протоколу PD происходит по второму оставшемуся пину. Для более простых устройств, в которых не требуется использовать протокол PD, подключение определяется пассивным способом: за счет резистивного делителя, образовавшегося на данной линии между устройствами.
Характеристики:
- напряжение питания на линии Vconn – 5 В;
- максимальный ток на линии Vconn – 200 мА;
- уровень сигнала на линии данных – 0–5 В;
- частота изменения сигнала на линии данных – 400 кГц (по протоколу PD).
SBU1/SBU2 – Sideband Use (Auxiliary Signal Pins)
Описание: данные пины являются дополнительными для различных интерфейсов. Для таких интерфейсов, как USB2/3.2 данные пины не используются. Во время работы интерфейса USB4 по этим пинам происходит инициализация интерфейса и дополнительная настройка его работы, а также инициализация линий данных и их направления. Для интерфейса DP эти пины выполняют работу AUX-канала. В режиме аудиоадаптера один из них (в зависимости от ориентации подключения) используется в качестве аналогового сигнала микрофона, второй же используется в качестве аналоговой «земли».
Характеристики:
- USB4 – используется последовательный порт (Serial Port) со скоростью работы 1 Мбит/c;
- DisplayPort – используется передача данных со скоростью до 720 Мбит/c. Заблуждением является мнение, что звук передается по этому каналу, на самом деле аудиопакеты передаются вместе с видеопакетами по основному каналу передачи (TX1± TX2± RX1± RX2±). AUX-канал необходим для обмена служебными сообщениями между устройствами, например для процесса инициализации на линии и так далее;
- Aудиоадаптер – используется аналоговый сигнал [-0,3–3,3 В].
- USB2/3.2 – не используется;
D+/D- – Data (USB2.0)
Описание: стандартные линии данных для интерфейса USB 2.0. Сигналы симметрично повторяются на двух сторонах разъема для возможности работы с любой ориентацией кабеля. Для других интерфейсов, таких как USB3.2/USB4/TBT3/DP данные пины не используются. Таким образом, USB2.0 может работать параллельно с другими интерфейсами. В режиме аудиоадаптера эти пины используются в качестве правого и левого каналов аудиосигнала.
Характеристики:
- USB 2.0 – используется передача данных со скоростью до 480 Мбит/c;
- Aудиоадаптер – используется аналоговый сигнал [-3,0–3,0 В].
- USB3.2/USB4/TBT3/DP – не используются;
TX1± TX2± RX1± RX2± – Data (USB3.2/USB4/TBT3/DP)
Описание: высокочастотные дифференциальные пары, необходимые для передачи данных. Для различных интерфейсов скорость передачи отличается. Для интерфейсов USB4/TBT3/DP имеется возможность настроить все линии для передачи данных в одном направлении (режим Simplex). Таким образом, скорость передачи данных увеличивается в два раза.
Характеристики:
- USB3.2 Gen 1 / Gen 2 – используются только две линии из четырех (TX1/RX1 или TX2/RX2) в зависимости от ориентации разъема. Максимальная скорость передачи данных на каждой линии составляет 5 Гбит/c (Gen1) и 10 Гбит/c (Gen2) ;
- USB3.2 Gen 2 x 2 – используются все четыре дифференциальные пары (TX1/RX1 и TX2/RX2).
Вообще, в интерфейсах USB3.X достаточно много путаницы, более подробно о них можно почитать тут. - USB4/TBT3/DP – используются все четыре дифференциальные пары (TX1/RX1 и TX2/RX2). Максимальная скорость передачи данных на каждой линии составляет 20 Гбит/c. В итоге общая скорость передачи составляет 40 Гбит/c (в обе стороны) и 80 Гбит/с в дуплексном и симплексном режимах соответственно.
- USB 2.0 – не используются;
Полезные ссылки
Ниже приведены ссылки на официальную документацию упомянутых стандартов:
Активные кабели
В спецификациях определение active cable (активный кабель) отличается. Так, в спецификации для протокола PD прописано, что активным считается тот кабель, который имеет поддержку SOP (Start of packet), то есть способен отвечать на запросы, отправленные ему протоколом PD, и сообщать свои характеристики (какие интерфейсы и варианты питания он способен поддерживать).
В соответствии со спецификацией на Type-C активным кабелем является тот, который имеет внутри себя различные повторители, необходимые для улучшения передаваемого сигнала.
Так как на данный момент по спецификации все кабели Type-C должны иметь электронную маркировку (Emark), то есть иметь поддержку SOP, правильнее будет считать активными кабелями только те, которые имеют различные ретаймеры и редрайверы.
ReTimer (ретаймер) и ReDriver (редрайвер) – микросхемы, установленные в линиях данных. Они обеспечивают улучшение проходящего сигнала. Ретаймеры и редрайверы могут устанавливаться на всем пути передачи сигнала: и в кабеле, и на печатных платах источника/получателя (если это необходимо).
Сигнал может затухать или ослабевать при передаче на большие расстояния. Для его восстановления используются данные микросхемы. Они имеют достаточно сложный принцип работы, мы не будем описывать его в данной статье. Следует отметить, что редрайвер – это более простое устройство, которое усиливает проходящий сигнал. Ретаймер – более сложное устройство, которое ретранслирует копию сигнала. Ниже приведен пример глазковой диаграммы ослабленного сигнала, проходящего через редрайвер и ретаймер соответственно.
С появлением новых интерфейсов увеличивается скорость передачи данных, тем самым уменьшается и расстояние, на которое можно передать эти данные. Это видно, если обратить внимание на длину стандартных кабелей:
И это с учетом того, что длина 0,8 м достижима только с использованием активных кабелей. Пассивные кабели (без использования различных повторителей) имеют длину только
Кабель Optically Isolated Active (OIA). За счет своей внутренней структуры данный кабель способен передавать данные на расстояние более чем 50 м, тем самым увеличивая границу использования таких интерфейсов, как USB3.2/TBT3. Этот кабель электрически изолирован между двумя штекерами и должен иметь поддержку SOP с каждой из сторон. Но нужно учитывать, что кабель передает данные только дифференциальных пар RX/TX, поэтому питание и интерфейс USB2.0 не поддерживаются данным интерфейсом. Также необходимо, чтобы каждый из двух подключаемых устройств имел поддержку Vconn для питания внутренних интегральных схем кабеля. Уже в этом году ожидается разработка OIA-кабелей для интерфейса USB4.
Также необходимо помнить, что не все кабели способны поддерживать все интерфейсы, поэтому лучшим на данный момент решением будет использовать кабель для TBT3-устройств, так как он поддерживает и максимальную передачу данных, и максимальную мощность питания (имеются в виду короткие кабели до 0,8 м).
Обратная совместимость с разъемами предыдущего поколения. Для поддержки подключения устройств с Type-C к устройствам с разъемами предыдущего поколения существуют следующие типы кабелей:
- кабели USB Type-C – USB3.1 Type-A / Type-B / Type micro-B;
- кабели USB Type-C – USB2.0 Type-A / Type-B / Type mini-B / Type micro-B.
Описание структуры и подробная информация обо всех вышеперечисленных кабелях приведена в спецификации на кабель и разъем Type-C.
Основные отличия структуры штекера (plug) от разъема (receptacle):
- На штекере дифференциальная пара USB2.0 (D+/D-) присутствует только на пинах A6–A7, на пинах B6–B7 – отсутствует. Это связано с тем, что дважды передавать один и тот же сигнал не требуется. В зависимости от ориентации кабеля пины A6–A7 на штекере будут соединяться с одной из двух пар пинов коннектора.
- На штекере пины CC1/CC2 отсутствуют, но вместо них присутствуют пины CC (A5) и Vconn (B5). CC отвечает за ориентацию кабеля и передачу данных по протоколу PD. Vconn является источником питания для внутренних интегральных схем кабеля. Важно запомнить, что в отличие от всех остальных линий в кабеле пины Vconn не соединены между собой напрямую.
От слов к практике
Выбор разъема
Перед тем как выбрать разъем, необходимо определиться, передачу какого интерфейса необходимо поддерживать в своей разработке. На данный момент в embedded-разработке основными являются интерфейсы USB2/USB3, поэтому далее мы будем рассматривать именно их.
Важно понимать, что разъем USB является одной из самых часто используемых и наиболее сильно подверженных износу частей вашего устройства, поэтому необходимо, чтобы он был изготовлен качественно и выдерживал большое количество подключений.
Большинство производителей предлагают широкий спектр различных разъемов. Рассмотрим основные параметры, на которые стоит обратить внимание.
Важно! Если устройство не является единичным и подразумевается последующий серийный выпуск, следует обратить внимание на такой параметр, как Part Status. Если он имеет статус Active, то данный разъем является активным и в ближайшее время будет поддерживаться производителем. Если же компонент имеет иной статус, есть вероятность, что в будущем купить такой разъем еще раз не получится.
Количество контактов
В зависимости от поддерживаемых интерфейсов разъем может иметь меньшее количество контактов. Так, если поддержка высокочастотных интерфейсов, работающих на RX/TX-линиях (USB3.2/USB4/TBT3/DP), не требуется, то можно выбрать разъемы с 16 контактами или меньше:
- 24 контакта – поддерживаются все интерфейсы;
- 16/14 контактов – поддерживаются только интерфейсы, которые не используют высокоскоростные дифференциальные пары (TX1± TX2± RX1± RX2±), например USB 2.0, PD и другие. Пример: CX90M-16P от Hirose Connector.
Способ установки разъема
Существуют различные способы установки разъема. Все они отличаются параметрами, мы рассмотрим только основные из них.
Тип установки разъема на печатную плату:
- Surface Mount / поверхностный монтаж – разъем устанавливается на поверхность печатной платы. Пример: CX90B1-24P от Hirose Connector;
- Board Cutout / вырез в печатной плате – под разъем вырезается место на печатной плате. Пример: CX90M-16P от Hirose Connector.
Surface Mount / поверхностный монтаж
Board Cutout / вырез в печатной плате
Ориентация разъема относительно печатной платы:
- Right Angle / прямой угол – стандартный тип установки разъема под прямым углом к печатной плате. Пример: CX90B1-24P от Hirose Connector;
- Vertical/вертикальный – разъем устанавливается перпендикулярно печатной плате. Пример: CX80B1-24P от Hirose Connector;
- Vertical Right Angle / вертикальный под прямым углом – разъем устанавливается под прямым углом, но в вертикальном положении. Пример: KUSBX-SL-CS1N14-B от Kycon.
Right Angle / прямой угол
Vertical/вертикальный
Vertical Right Angle / вертикальный под прямым углом
Тип установки контактов на печатную плату:
- Поверхностный монтаж – все контакты разъема устанавливаются посредством поверхностного монтажа. Пример: 12401544E4#2A от Amphenol;
- Выводной монтаж – все контакты устанавливаются с помощью выводного монтажа. Таких разъемов достаточно мало, все они имеют 16/14 контактов, то есть подходят для поддержки только интерфейса USB2.0. Пример: KUSBX-SL-CS1N14-B от Kycon;
- Поверхностно-выводной монтаж – часть контактов устанавливается посредством поверхностного монтажа, остальные – с помощью выводного монтажа. За счет выводных контактов при ручном монтаже данный тип разъема легче точно спозиционировать. Пример: 632723300011 от Wurth Elektronik.
Поверхностный монтаж контактов
Выводной монтаж контактов
Поверхностно-выводной монтаж
Важно! При выборе разъема следует обратить внимание на длину выводных контактов, так как некоторые производители предлагают несколько вариантов одного и того же разъема для печатных плат разной толщины.
Тип разъема
Многие разъемы внешне сильно отличаются друг от друга, так как предназначены для работы в различных условиях. Многие из производимых разъемов имеют различные степени защиты (Ingress Protection), IP65, IPX2 и так далее. В связи с этими требованиями внешняя конструкция разъема достаточно специфическая, поэтому использовать его в стандартных тонкостенных корпусах затруднительно. Поэтому, если нет необходимости, рекомендуем использовать стандартные разъемы без каких-либо степеней защиты.
Разъем со степенью защиты IPX7
Стандартный разъем
Внедрение в проект
В данной статье мы рассматриваем только UFP (Upstream Facing Port) Sink, то есть USB-устройства, которые не могут идентифицироваться при подключении как хост-устройство или источник питания. Более подробную информацию по UFP и разработке DFP (Downstream Facing Port) и Source-устройств (источник питания) можно найти в спецификациях, ссылки на которые были приведены выше.
Рассмотрим два варианта подключения:
- только с поддержкой интерфейса USB2.0;
- с поддержкой интерфейсов USB2/3.2.
Поддержка интерфейса USB2.0
Необходимо выполнить следующее:
К пинам A5/B5 (CC1/CC2) подключить резисторы (Rd resistor) с подтяжкой к «земле» номиналом 5,1 кОм ± 20 %, как показано на рисунке ниже. При подключении устройства к кабелю пара резисторов Rp–Rd образует делитель напряжения. Измеряя полученное напряжение, хост устанавливает, какой из CC-пинов подключился к хосту, тем самым определяет ориентацию кабеля. В связи с тем, что используется только USB 2.0, ориентация не имеет значения, поэтому на каждый из CC-пинов подключается резистор Rd. Если резистор Rd подключить только к одному из пинов, а другой оставить «в воздухе», то устройство будет работать только с определенной ориентацией кабеля. Резисторы Ra установлены внутри кабеля и имеют номинальное значение, отличное от Rd.
Соединить пины A6–B6 (D+) и A7–B7 (D-). Данный шаг необходим для успешной работы устройства с любой ориентацией кабеля.
Также у большинства разъемов Type-C присутствуют пины, соединенные с корпусом разъема (Shield). Их также рекомендуется подключить к «земле» через схему защиты. Размещать схему защиты необходимо как можно ближе к разъему. В зависимости от цели и характеристик устройств схема защиты может отличаться. Пример схемы защиты представлен ниже под спойлером.
RX1/TX1, RX2/TX2, SBU1/SBU2 не используются, подключать их не требуется.
Печатная плата:
- Для поддержки USB 2.0 достаточно двухсторонней печатной платы.
- Параметры линий для USB 2.0:
- дифференциальный импеданс – 90 Ом ± 10 %;
- максимальная разница длины внутри парных линий – 1,1 мм;
- максимальная длина дорожки на плате – 200 мм.
Пример трассировки разъема Type-C для интерфейса USB2.0 (разъем: 2129691-1 от TE Connectivity)
Поддержка интерфейсов USB2.0/USB3.2 Gen 1 / Gen 2
Необходимо выполнить следующее:
- Соединить пины A6–B6(D+) и A7–B7(D-).
С пинами CC1/CC2 в данном примере все чуть сложнее. Если бы наше устройство поддерживало интерфейс USB 3.2 Gen 2×2, то было бы достаточно подтянуть пины СС1/CC2 к «земле» через резисторы Rd с номиналом 5,1 кОм. При любой ориентации кабеля все высокочастотные дифференциальные пары соединялись бы друг с другом.
Так как в нашем случае используются только две высокочастотные дифференциальные пары (RX/TX) вместо четырех, возникает следующая проблема: данные могут передаваться либо по первой паре, либо по второй, в зависимости от ориентации подключения.
Для решения данной проблемы можно использовать связку из двух микросхем:
- микросхемы определения ориентации, подключаемой к пинам CC. Она необходима для определения ориентации подключаемого кабеля. Пример: TUSB320 от TI и PTN5150A от NXP;
- мультиплексора 2 в 1 для USB 3. После того как микросхема определит ориентацию подключения, она напрямую или через микроконтроллер выставляет мультиплексор в режим, при котором дифференциальные линии устройства соединяются с активными дифференциальными линиями кабеля. Пример: CBTU02043 от NXP.
RX1/TX1 и RX2/TX2 подключить к мультиплексору.
Подключить схему защиты к контактам Shield.
SBU1/SBU2 не используются, подключать их не требуется.
Печатная плата:
- Для высокочастотных дифференциальных пар рекомендуем использовать минимум шестислойную печатную плату, при этом опорные слои необходимо полностью отводить под GND. Иначе при переходе линий между верхним и нижним слоями необходимо будет использовать для соединения опорных слоев конденсаторы (stitching capacitor) вместо простых переходных отверстий. Для уменьшения паразитных отростков (stub) рекомендуется подводить дорожки к разъему с выводными контактами с нижнего слоя (если разъем установлен на верхнем слое).
- Параметры линий для USB3.2 Gen 1:
- дифференциальный импеданс – 90 Ом ± 10 %;
- максимальная разница длины внутри парных линий – 0,15 мм;
- максимальная длина дорожки на плате – 200 мм;
- AC coupling capacitors – 100нФ (рекомендуется корпус 0402).
Четырехслойная печатная плата с использованием конденсаторов, соединяющих опорные слои (разъем: 2305018-2 от TE Connectivity)
Шестислойная печатная плата (С1, С2,R1 – shield), (632723300011 от Wurth Elektronik)
Заключение
Данная статья была нацелена на новичков в разработке embedded-устройств, но мы старались представить информацию таким образом, чтобы каждый нашел в ней что-то полезное. Надеемся, нам удалось показать, насколько перспективно, легко и удобно использование многофункционального разъема Type-C. Он может стать универсальным элементом в растущем количестве разрабатываемых устройств. И с каждым годом количество разрабатываемых устройств с использованием Type-C будет только расти. Пишите в комментариях, какой информации вам не хватило, и мы обязательно постараемся ее добавить.
Raccoon Security – специальная команда экспертов НТЦ «Вулкан» в области практической информационной безопасности, криптографии, схемотехники, обратной разработки и создания низкоуровневого программного обеспечения.