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.
Ethernetin versio 10BASE-T1S luo uusia liiketoimintamahdollisuuksia vahvaa yhteentoimivuutta ja turvallisuutta vaativien toiminnallisten OT-verkkojen ja perinteisten IT-verkkojen yhdistämisessä. Dataan päästään käsiksi verkon reunalla olevista solmuista, jolloin verkkoa voidaan käyttää uusien älykkäiden ja ennakoivien palvelujen sekä omaisuuden seuranta- ja hallintaratkaisujen tarjoamiseen. Tämä tuo lukuisia etuja myös kustannuspuolella.
