Муфты электромонтажные от производителя Fucon
РадиоЛоцман - Все об электронике

Малозатратная реализация USB Type-C

Texas Instruments TUSB320

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2016

Anwar Sadat, Ph.D., Texas Instruments

Внедрение USB Type-C в существующие платформы с минимальными затратами и с использованием только одного устройства. Разъем USB Type-C или USB-C предусматривает реверсивный кабель и симметричный разъем с возможностью подачи питания до 100 Вт для USB 3.1 и поддержкой альтернативных режимов. Однако разработчики систем должны тщательно выбирать необходимые им возможности, чтобы сохранить приемлемую общую стоимость своих устройств. Многие недорогие системы с разъемом Type-C поддерживают только USB 2.0 при штатной мощности источника питания 15 Вт. В этой статье будет рассмотрено однокристальное решение для таких реализаций Type-C. Оно обеспечивает возможность конфигурирования каналов (CC) с поддержкой функции порта Dual Role (DRP), что позволяет использовать разъем в портативных устройствах бюджетной и средней ценовых категорий, например, в смартфонах, планшетах, фаблетах, ноутбуках, хабах, док-станциях, автомобильных информационно-развлекательных системах, внешних жестких дисках и в другой периферии.

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Пожалуй, ни один из интерфейсных разъемов не вызывал при своем появлении такого интереса и ажиотажа, как USB Type-C. И это не удивительно, ведь интерфейс обещает объединить передачу данных, питания и видеосигнала в одном разъеме. Интересно, что это похоже на повторение истории 20-летней давности, когда USB 1.0 позволил разрозненной электронике общаться друг с другом через интерфейс с единственным разъемом/кабелем, обозначив наступление новой эры коммуникаций. С тех пор USB стал одним из самых популярных интерфейсов в электронике.

Но, даже несмотря на то, что USB 2.0 существенно упростил подачу питания на электронные гаджеты, в путешествии мы до сих пор вынуждены таскать за собой множество различных зарядных устройств, поскольку ноутбуки, планшеты, телефоны, камеры и прочая персональная электроника – все имеет свои требования к питанию. Представьте использование только одного зарядного устройства для удовлетворения потребностей всех этих гаджетов! Стандартными средствами USB Type-C отдает в нагрузку до 15 Вт, а при добавлении поддержки USB Power Delivery (USB-PD), можно увеличить зарядный ток, подняв отдаваемую мощность до 100 Вт. Этого достаточно для большинства наших электронных игрушек. Учитывая все возрастающую энергоэффективность полупроводниковых кристаллов, надеюсь, в обозримом будущем нам больше не нужно будет возвращаться к этой проблеме.

Встроенные средства USB Type-C поддерживают стандарт USB 2.0 и стандарт USB 3.1 со скоростью передачи 10 Гбит/с, а USB-PD обеспечивает возможность работы в альтернативных режимах. Передача необработанного несжатого видеоконтента, например, данных дисплейного порта, в Type-C легко реализуется через одну из функций альтернативного режима. Перечень режимов USB Type-C приведен в Таблице 1.

Таблица 1. Расширение возможностей USB Type-C,
предоставляемое USB-PD.
Параметр Контроллер
конфигурации
канала
USB-PD
Мощность 15 Вт 100 Вт
USB 2.0 и 3.1 Да Да
Видео Нет Да

Спецификацией USB Type-C вводятся новые, более миниатюрные, тонкие и надежные гнезда и штекеры разъема. Эти новые кабели могут подключаться к хосту или к устройству в любом направлении, сохраняя при этом традиционные для USB взаимоотношения хост-клиент. Разъем может вставляться в гнездо верхней стороной вверх, или наоборот («перевертыш»). За такую гибкость и простоту приходится платить некоторым увеличением сложности и стоимости системы. В то время как новая экосистема предоставляет больше возможностей для повышения выходной мощности, реализации альтернативных режимов, увеличения скорости передачи и многого другого, разработчики систем должны выбирать, какие из этих возможностей им действительно необходимы, чтобы сохранить общую стоимость системы в приемлемых пределах. Все эти факторы важны для поддержания положительного восприятия пользователем, к чему все уже так привыкли. С учетом целесообразности использования и стоимости реализации, для многих устройств скорости стандарта USB 2.0 и питания до 15 Вт вполне достаточно.

USB 2.0

USB 2.0 – это 4-проводный интерфейс с двумя линиями данных (D+, D–), одним общим контактом (GND) и одним выводом питания (VBUS). Интерфейс является полудуплексным и поддерживает три скорости передачи данных: низкую (low-speed, LS) 1.5 Мбит/с, полную (full-speed, FS) 12 Мбит/с и высокую (high-speed, HS) 480 Мбит/с. USB 2.0 устанавливает соединение типа точка-точка между хостом и устройством-клиентом (или хабом), где хост управляет шиной и обеспечивает подключенному устройству питание 5 В/500 мА по линии VBUS. Спецификация USB Battery Charging (BC 1.2) дает возможность получения дополнительной мощности, но за это придется заплатить большей сложностью и дополнительными аппаратными средствами. Перечень популярных разъемов USB 2.0 включает гнезда и штекеры типа A и типа B, а также их мини- и микро-версии.

USB On-the-Go (OTG) добавляет в интерфейс пятый вывод (ID) для микро- и мини-разъемов. Этот пятый вывод позволяет некоторым устройствам, например, мобильным телефонам, изменять свое назначение с клиента на хост и обратно. Они выступают в качестве клиента, когда подключены к ПК, и в качестве хоста при подключении различных медиа- и накопительных USB-устройств.

USB Type-C

Давайте рассмотрим USB Type-C более детально. На Рисунке 1 изображена кабельная вилка USB Type-C. При максимальных монтажных размерах, составляющих менее 3 мм в высоту и 8.4 мм в ширину, он может использоваться в таких ультра тонких устройствах, как ноутбуки и смартфоны.

Малозатратная реализация USB Type-C
Рисунок 1. Кабельная вилка USB Type-C.

Гнезда Type-C одинаковы и для систем клиента, и для систем хоста. Кабель Type-C имеет идентичные вилки на обоих концах, что делает его симметричным.

На Рисунке 2 показано назначение контактов розетки разъема USB Type-C. Организованный симметричным образом 24-контактный интерфейс включает четыре вывода для USB 2.0, восемь выводов (четыре пары) для SuperSpeed USB и два вывода для передачи аудио в альтернативном режиме. Кроме того, два вывода используются для конфигурирования каналов и коммуникаций USB-PD, четыре вывода для подачи питания (VBUS) и четыре вывода выполняют функции общего провода (GND). Подключение разъемов и кабельных сборок определено таким образом, чтобы дифференциальные пары SuperSpeed USB могли обеспечить скорость передачи данных до 20 Гбит/с. В то время как гнездо должно иметь все 24 вывода, кабельному разъему для Type-C USB 2.0 достаточно 12 сигналов, за счет чего снижается его стоимость.

Малозатратная реализация USB Type-C
Рисунок 2. Назначение контактов розетки USB Type-C (вид спереди).
Источник: из спецификации Type-C.

В типичной реализации системы две линии D+ и две D– закорачиваются при помощи перемычек. За счет этого отпадает необходимость в мультиплексоре, обеспечивающем адаптацию к переворачиваемому штекеру. Для сигналов SuperSpeed USB соединение такой перемычкой не подходит из-за того, что для обеспечения целостности сигналов требуется наличие двух мультиплексоров 2:1 для приемника (Rx) и передатчика (Tx). Это соединение, возможно, содержит по одной микросхеме на каждой стороне интерфейса Type-C: одну на стороне хоста и одну на стороне устройства-клиента. При использовании альтернативного режима конфигурация мультиплексора усложняется и требует матричных коммутаторов.

Конфигурирование канала

Среди контактов интерфейса USB Type-C имеются выводы CC (Configuration channel – конфигурация канала), с помощью которых устанавливается USB-соединение между нисходящим портом (downstream-facing port – DFP) и восходящим портом (upstream-facing port – UFP). Порт DFP может использоваться в качестве хоста, а UFP – в качестве порта сопряженного устройства в традиционном определении портов USB. Функция CC используется в следующих целях:

  • Обнаружение присоединения/отсоединения DFP и UFP;
  • Установление ориентации вилки;
  • Обнаружение взаимоотношений DFP–UFP в части обмена данными (хост-устройство) и питания (источник/потребитель). Без USB-PD, по умолчанию, DFP (источник) обеспечивает энергией UFP (потребителя), забирающего ток.
  • Объявление (поставщик) или обнаружение (потребитель) тока в линии VBUS интерфейса USB Type-C.
  • Изменение ролей подключенных устройств в отношении передачи данных и питания (только через USB-PD).

Даже притом, что розетка имеет два контакта CC1 и CC2, с помощью кабеля подключается только один провод CC. В то время как традиционные порты USB определяют отношения хост/устройство на основании механических характеристик розеток и вилок, в USB Type-C с одинаковыми разъемами на обоих концах DFP имеют на линиях CC резисторы, подтягивающие потенциал к высокому уровню, а UFP – к низкому (Рисунок 3). Обнаружение ориентации и подсоединения обеспечивается мониторингом напряжений, установленных на линиях CC.

Малозатратная реализация USB Type-C
Рисунок 3. Модель задания конфигурации канала с помощью
подтягивающих резисторов.

Для того чтобы сообщать, какой ток может обеспечить DFP, он использует различные номиналы подтягивающих резисторов или источников тока. С противоположной стороны UFP узнает, какой ток он может потреблять, измеряя напряжение на подключенном к земле резисторе и сравнивая эти напряжения. Для интерфейса USB 2.0 без USB-PD возможны три настройки питания: 500 мА; 1.5 А; и 3 А при 5 В на шине VBUS.

Type-C также определяет порт DRP (Dual Role – двойная роль), который поочередно идентифицирует себя как DFP и как UFP до тех пор, пока не будет установлено стабильное соединение. Если DRP соединен с UFP или DFP, он начинает выступать в роли DFP или UFP, соответственно. Если вместе соединены два DRP, результат будет случайным, однако на него можно повлиять при помощи двух дополнительных функций: Try.SRC и Try.SNK. DRP с настройкой Try.SRC пытается установить соединение, выступая в качестве DFP (источника), а с настройкой Try.SNK – в качестве UFP (потребителя). Эти функции особенно важны в ряде систем для обеспечения осмысленных взаимоотношений между поставщиком и потребителем энергии, чтобы, например, DRP телефона не начинал заряжать DRP ноутбука. Для наилучшего восприятия пользователем всей экосистемы Type-C в целом очень важно, чтобы все подключенное оборудование выполняло в системе питания определенные роли. В Таблице 2 приводятся соответствующие настройки конечного автомата для данного продукта.

Таблица 2. Рекомендуемые настройки для управления
режимами питания.
Режим питания Пример устройства Состояние
конечного
автомата
Только источник Зарядное устройство SRC
Обычно источник Ноутбук, портативный
источник питания
Try.SRC
Попеременный Планшет DRP
Обычно потребитель Телефон Try.SNK
Только потребитель Внешний жесткий диск,
аксессуары
SNK

А сколько же будет достаточно?

Как уже упоминалось, USB Type-C без дополнительного протокола USB-PD может отдавать в нагрузку 15 Вт. Насколько же велика такая мощность – 15 Вт? Это в шесть раз больше, чем отдает стандартный USB 2.0, и в 1.5 раза больше, чем самый быстрый USB BC 1.2. Как быстро от 15 Вт может зарядиться мобильное устройство? В Таблице 3 приведены некоторые расчеты. В реальности время заряда зависит от множества различных факторов. Однако для простоты КПД в нашей иллюстрации принят равным 80%.

Таблица 3. Время зарядки от источника мощностью 15 Вт для
типичных мобильных устройств.
Мобильное
устройство
Типовая емкость
аккумулятора (Вт×ч)
Время зарядки штатными
средствами Type-C (мин)
Смартфон 6 30
Фаблет 10 50
Мини планшет 15 75
Полноразмерный
планшет
30 150

Достаточно ли зарядных возможностей USB Type-C в 15 Вт? Для большинства портативных устройств малой и средней мощности ответом будет, конечно же, «да», особенно, если принимать во внимание дополнительную стоимость и сложность реализации USB-PD.

Для некоторых приложений требуется передавать большие объемы данных и видео. От портативных гаджетов, однако, конечные пользователи очень много не ожидают. Наиболее часто порт USB мобильного телефона или планшета используется для передачи изображений, музыки и видео на ПК, или для синхронизации устройств. USB 2.0 обеспечивает пропускную способность 480 Мбит/с. Подсчитано, что с учетом всех накладных расходов, возможно получить скорость передачи данных 40 МБ в секунду, чего вполне достаточно для повседневного использования.

Обычно мобильные устройства выступают в роли DRP, чтобы иметь возможность быть потребителями энергии для зарядки аккумуляторов при подключении к ПК. И наоборот, при соединении с флеш-накопителем они могут выступать в качестве источника. Типовая реализация DRP в UBS 2.0 показана на Рисунке 4. Обратите внимание, что реализация системы остается практически неизменной при использовании контроллера CC, эмулирующего сигнал ID стандартного USB OTG. Важно также иметь в виду, что Type-C дает возможность мобильным устройствам выступать в двух ролях (хоста или клиента), равно как быть и источником, и потребителем энергии.

Малозатратная реализация USB Type-C
Рисунок 4. Типовая реализация DRP.

Порт USB 2.0 Type-C ноутбука или сетевого зарядного устройства, вероятнее всего, будет в ранге DFP, поставляющего мощность в интерфейс. Почему отдаваемая мощность порта USB 2.0 ноутбука равна 15 Вт? Ответ обусловлен общей стоимостью и энергетическим бюджетом системы с несколькими портами Type-C, так как не все из них могут быть полнофункциональными. Пример типовой реализации DFP приведен на Рисунке 5. Даже если порт не может исполнять обе роли, сигнал ID полезен для управления силовым МОП-транзистором.

Малозатратная реализация USB Type-C
Рисунок 5. Типовая реализация DFP.

На Рисунке 6 показана типовая реализация UFP. Это обычная конфигурация для внешних жестких дисков, некоторых мобильных телефонов, хабов восходящих портов USB 2.0, часов, аксессуаров и периферийных устройств.

Малозатратная реализация USB Type-C
Рисунок 6. Типовая реализация UFP.

Однокристальное решение для USB 2.0

Одним из устройств, которое может обеспечить однокристальную реализацию USB 2.0, является микросхема TUSB320 компании Texas Instruments. При использовании этого устройства преобразование существующего интерфейса USB 2.0 в Type-C оказывается не таким сложным, как это может показаться. Вы просто заменяете разъем, добавляете микросхему TUSB320 контроллера CC – и это почти все. С помощью этого устройства могут быть реализованы все конфигурации DRP, DFP и UFP, приведенные для примера на Рисунках 4-6, соответственно. Микросхема может быть сконфигурирована посредством портов ввода-вывода общего назначения. Использование I2C необязательно, однако дает доступ к некоторым дополнительным функциям, которые разработчики системы могут найти полезными. Чтобы сократить время реакции по сравнению с постоянным программным опросом, устройство формирует сигнала прерывания микропроцессора от аппаратного блока I2C. Извещение придет при любом событии, изменяющем состояние интерфейса хост-клиент.

Контроллер порта DRP обеспечивает логику CC и может быть сконфигурирован как DFP, UFP или DRP для портативных приложений.

Таблица 4. Перечень функций разъема USB Type-C, поддерживаемых
в различных режимах.
Уровень напряжения на
выводе порта
Высокий Низкий Средний
(не подкл.)
Поддерживаемые функции Только DFP Только UFP DRP
Соединение/отсоединение
от порта
Ориентация кабеля (через I2C)
Объявление силы тока   • (DFP)
Обнаружение тока   • (UFP)
Режимы аксессуаров
(аудио и отладка)
Обнаружение активного кабеля   • (DFP)
I2C/порты общего назначения
Кабели старого образца
Обнаружение напряжения VBUS • (UFP)
Активация глубокого
разряженного аккумулятора
Эмуляция сигнала ID   · (DFP)
Try.SRC    
Try.SNK    

Устройство изменяет свой статус, представляя себя в качестве DFP или UFP в соответствии со спецификацией Type-C. Блок логики CC отслеживает состояние выводов CC1 и CC2 с точки зрения полярности подключения подтягивающих резисторов, чтобы определить факт соединения с портом USB и его роль. В соответствии с установленной ролью, логика CC также объявляет или определяет величину отдаваемого по умолчанию тока – среднюю или высокую. Список поддерживаемых функций и режимов приведен в Таблице 4.

Материалы по теме

Перевод: Vasa Shmidt по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Low-cost implementation of USB Type-C

19 предложений от 12 поставщиков
TEXAS INSTRUMENTS TUSB320IRWBR USB Interface, USB Controller, USB 1.1, 2.7V, 5V, X2QFN, 12Pins
ЧипСити
Россия
TUSB320IRWBR
Texas Instruments
75 ₽
AiPCBA
Весь мир
TUSB320LAIRWBR
Texas Instruments
79 ₽
ChipWorker
Весь мир
TUSB320LAIRWBR
Texas Instruments
81 ₽
Vess Electronics
Весь мир
TUSB320IRWBR
Texas Instruments
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя