Guide du brochage et des fonctionnalités USB-C

Cet article d'introduction examinera certaines des fonctionnalités les plus importantes de la norme USB-C.

Connaissez-vous un connecteur USB Type-C ? Cet article présente l'anatomie du brochage USB Type-C et aborde brièvement ses différents modes.

USB Type-C est une spécification pour un système de connecteur USB qui gagne en popularité sur les smartphones et les appareils mobiles et est capable à la fois de fournir de l'énergie et de transmettre des données.

Contrairement à ses prédécesseurs USB, il est également rabattable, vous n'avez donc pas besoin d'essayer trois fois pour le brancher.

Un port USB Type-C. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Denys Vitali

Cet article d'introduction examinera certaines des caractéristiques les plus importantes de la norme USB-C. Avant de plonger dans le brochage et d'expliquer de quoi chacun est capable, nous allons rapidement avoir une vue d'ensemble de ce qu'est l'USB-C et de ce qu'il fait de mieux.

Qu'est-ce que l'USB-C ?

L'USB-C est une norme relativement nouvelle qui vise à fournir un transfert de données à haute vitesse jusqu'à 10 Gb/s ainsi qu'une capacité de flux d'énergie allant jusqu'à 100 W. Ces fonctionnalités peuvent faire de l'USB-C une norme de connectivité véritablement universelle pour les appareils modernes.

USB-C ou USB Type-C ?

Ces deux termes sont généralement interchangeables (nous utiliserons les deux tout au long de cet article). Bien que l'USB-C soit plus couramment utilisé, l'USB Type-C est le nom officiel de la norme répertorié sur USB.org.

Fonctionnalités USB-C

L'interface USB-C a trois caractéristiques principales :

• Il a un connecteur rabattable. L'interface est conçue de manière à ce que la fiche puisse être retournée par rapport à la prise.
• Il prend en charge les normes USB 2.0, USB 3.0 et USB 3.1 Gen 2. De plus, il peut prendre en charge des protocoles tiers tels que DisplayPort et HDMI dans un mode de fonctionnement appelé Mode alternatif.
• Il permet aux appareils de négocier et de choisir un niveau de flux de puissance approprié via l'interface.

Dans les sections suivantes, nous verrons comment ces fonctionnalités sont fournies par la norme USB Type-C.

Les broches de prise/fiche USB Type-C

Le connecteur USB Type-C a 24 broches. Les figures 1 et 2, respectivement, montrent les broches de la prise et de la fiche USB Type-C.

Figure 1. La prise USB Type-C. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Microchip.

Figure 2. La prise USB Type-C. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Microchip.

Paires différentielles USB 2.0

Les broches D+ et D- sont les paires différentielles utilisées pour la connectivité USB 2.0. Il y a deux broches D+ et deux broches D- dans le réceptacle.

Cependant, les broches sont connectées les unes aux autres et il n'y a en fait qu'une seule paire différentielle de données USB 2.0 disponible pour une utilisation. La redondance est incluse uniquement pour fournir un connecteur rabattable.

Broches d'alimentation et de terre

Les broches VBUS et GND sont l'alimentation et les chemins de retour des signaux. La tension VBUS par défaut est de 5 V mais la norme permet aux appareils de négocier et de choisir une tension VBUS différente de la valeur par défaut. Le Power Delivery permet à VBUS d'avoir une tension jusqu'à 20 V. Le courant maximum peut également être augmenté jusqu'à 5 A. Par conséquent, l'USB Type-C peut fournir une puissance maximale de 100 W.

Le flux de puissance élevé peut être utile lors du chargement d'un appareil volumineux tel qu'un ordinateur portable. La figure 3 montre un exemple de RICHTEK où un convertisseur buck-boost est utilisé pour générer la tension appropriée demandée par l'ordinateur portable.

Figure 3. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Richtek.

Notez que la technologie de distribution d'alimentation rend l'USB Type-C plus polyvalent que les anciennes normes car elle rend le niveau de puissance adaptable aux besoins de la charge. Vous pouvez charger à la fois votre smartphone et votre ordinateur portable à l'aide du même câble.

Les broches RX et TX

Il existe deux ensembles de paires différentielles RX et deux ensembles de paires différentielles TX.

L'une de ces deux paires RX ainsi qu'une paire TX pourraient être utilisées pour le protocole USB 3.0/USB 3.1. Étant donné que le connecteur est rabattable, un multiplexeur est nécessaire pour réacheminer correctement les données sur les paires différentielles utilisées à travers le câble.

Notez qu'un port USB Type-C peut prendre en charge les normes USB 3.0/3.1, mais l'ensemble de fonctionnalités minimum de l'USB Type-C n'inclut pas l'USB 3.0/3.1. Dans de tels cas, les paires RX/TX ne sont pas utilisées par la connectivité USB 3.0/3.1 et pourraient être utilisées par d'autres fonctionnalités USB Type-C telles que le mode alternatif et le protocole USB Power Delivery. Ces fonctionnalités peuvent utiliser même toutes les paires différentielles RX/TX disponibles.

Les broches CC1 et CC2

Ces broches sont les broches de configuration de canal. Ils exécutent un certain nombre de fonctions telles que la détection de l'attachement et du retrait des câbles, la détection de l'orientation des prises/fiches et la publicité actuelle. Ces broches peuvent également être utilisées pour les communications requises par la fourniture d'alimentation et le mode alternatif.

La figure 4 ci-dessous montre comment les broches CC1 et CC2 révèlent l'orientation de la prise/fiche. Dans cette figure, DFP signifie Downstream Facing Port, qui est le port agissant soit en tant qu'hôte dans la transmission de données, soit en tant que source d'alimentation. UFP désigne le port orienté vers l'amont qui est le périphérique connecté à l'hôte ou au consommateur d'énergie.

Figure 4. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Microchip.

Le DFP tire les broches CC1 et CC2 à travers les résistances Rp mais l'UFP les tire vers le bas via Rd. Si aucun câble n'est connecté, la source voit un niveau logique haut sur les broches CC1 et CC2. La connexion du câble USB Type-C crée un chemin de courant de l'alimentation 5 V à la terre. Comme il n'y a qu'un seul fil CC à l'intérieur du câble USB Type-C, un seul chemin de courant est formé. Par exemple, dans le graphique supérieur de la figure 4, la broche CC1 du DFP est connectée à la broche CC1 de l'UFP. Par conséquent, la broche DFP CC1 aura une tension inférieure à 5 V mais la broche DFP CC2 sera toujours au niveau logique haut. Par conséquent, en surveillant la tension sur les broches DFP CC1 et CC2, nous pouvons déterminer la fixation du câble et son orientation.

En plus de l'orientation du câble, le chemin Rp-Rd est utilisé comme moyen de communiquer des informations sur les capacités actuelles de la source. À cette fin, le consommateur d'énergie (UFP) surveille la tension sur la ligne CC. Lorsque la tension sur la ligne CC a sa valeur la plus basse (environ 0,41 V), la source peut fournir l'alimentation USB par défaut qui est respectivement de 500 mA et 900 mA pour l'USB 2.0 et l'USB 3.0. Lorsque la tension de ligne CC est d'environ 0,92 V, la source peut fournir un courant de 1,5 A. La tension de ligne CC la plus élevée qui est d'environ 1,68 V correspond à la capacité de courant de la source de 3 A.

La broche VCONN

Comme mentionné ci-dessus, l'USB Type-C vise à fournir des vitesses de transfert de données extrêmement rapides ainsi que des niveaux élevés de flux d'énergie. Ces caractéristiques peuvent nécessiter l'utilisation de câbles spéciaux qui sont marqués électroniquement en utilisant une puce à l'intérieur. En outre, certains câbles actifs utilisent une puce de re-driver pour renforcer le signal et compenser les pertes subies par le câble, etc. Dans ces cas, nous pouvons alimenter les circuits à l'intérieur du câble en appliquant une alimentation de 5 V, 1 W alimentation à la broche VCONN. Ceci est illustré à la figure 5.

Figure 5. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Microchip.

Comme vous pouvez le voir, le câble actif utilise les résistances Ra pour abaisser les broches CC2. La valeur de Ra étant différente de Rd, le DFP est toujours en mesure de déterminer l'orientation du câble en examinant la tension sur les broches DFP CC1 et CC2. Après avoir déterminé l'orientation du câble, la broche de configuration de canal correspondant au « IC de câble actif » sera connectée à une alimentation 5 V, 1 W pour alimenter les circuits à l'intérieur du câble. Par exemple, sur la figure 5, le chemin Rp-Rd valide correspond à la broche CC1. Par conséquent, la broche CC2 est connectée à l'alimentation notée VCONN.

Les broches SBU1 et SBU2

Ces deux broches correspondent aux chemins de signaux à faible vitesse qui ne sont utilisés qu'en mode alternatif.

La livraison d'alimentation USB

Maintenant que nous sommes familiarisés avec l'épinglage de la norme USB-C, examinons brièvement l'USB Power Delivery.

Comme mentionné ci-dessus, les appareils utilisant la norme USB Type-C peuvent négocier et choisir un niveau de flux d'alimentation approprié via l'interface. Ces négociations d'alimentation sont réalisées via un protocole appelé USB Power Delivery, qui est une communication à fil unique sur la ligne CC décrite ci-dessus. La figure 6 ci-dessous montre un exemple de distribution d'alimentation USB où le récepteur envoie des requêtes à la source et ajuste la tension VBUS selon les besoins. Dans un premier temps, un bus 9 V est demandé. Une fois que la source stabilise la tension du bus à 9 V, elle envoie un message « prêt pour l'alimentation électrique » au récepteur. Ensuite, le récepteur demande un bus 5 V et la source le fournit et envoie à nouveau un message « prêt pour l'alimentation ».

Figure 6. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Richtek.

Il est important de noter que la « livraison d'alimentation USB » ne concerne pas seulement les négociations liées à la fourniture d'alimentation, d'autres négociations, telles que celles liées au mode alternatif, sont effectuées à l'aide du protocole de distribution d'alimentation sur la ligne CC de la norme.

Modes alternatifs

Ce mode de fonctionnement nous permet de mettre en œuvre des protocoles tiers, tels que DisplayPort et HDMI, en utilisant la norme USB Type-C. Tous les modes alternatifs doivent au moins prendre en charge une connexion USB 2.0 et USB Power Delivery. Pour plus d'informations, veuillez vous référer à ce document TI.

Conclusion

L'USB Type-C possède des fonctionnalités intéressantes. Il prend en charge une vitesse de transfert de données ultra-rapide allant jusqu'à 10 Gb/s et un flux de puissance élevé allant jusqu'à 100 W. Associés à un connecteur rabattable, l'USB Type-C peut devenir une norme véritablement universelle pour les appareils modernes.

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