USB Type-C : le connecteur réversible qui simplifie la conception embarquée

La dernière spécification USB 3.1 introduit le connecteur USB Type-C, éliminant enfin le problème d'orientation qui affectait les standards USB antérieurs. Bien que ce ne soit pas le seul inconvénient de l'USB hérité, l'incapacité d'insérer les câbles dans les deux sens a été une nuisance persistante pour les concepteurs et utilisateurs.

Dans mon expérience, il faut souvent trois tentatives pour brancher correctement un câble USB dans un appareil. Le nouveau connecteur Type-C résout cela en offrant un design mécaniquement symétrique qui fonctionne parfaitement dans n'importe quelle orientation.

(Source : Duane Benson)

L'USB 3.1 apporte des améliorations significatives : alimentation plus élevée, débits de données plus rapides, et câbles intelligents qui s'auto-détectent et s'ajustent en conséquence. La complexité ajoutée est gérée par de petits composants électroniques embarqués dans le câble qui négocient les niveaux de puissance et modes de données des deux côtés.

Lire la spécification complète peut sembler intimidant, surtout comparé aux familiers solutions USB Micro-B et FTDI USB-vers-UART qu'on utilise dans les projets embarqués. Cependant, la spécification USB-IF prend explicitement en charge le câblage d'un connecteur Type-C dans des designs USB 2.0 existants avec un effort minimal et sans pièges cachés.

Ma première implémentation Type-C est dans une règle électronique compatible Arduino que je co-conçois avec Max Maxfield d'Embedded.com. La carte utilise déjà un FTDI FT231X pour relier l'UART du MCU à un connecteur USB Micro-B ; j'ai maintenant ajouté un port Type-C pour que l'appareil puisse être alimenté et programmé via l'un ou l'autre câble.

Le diagramme ci-dessous montre la disposition des broches pour les connexions signal, puissance et masse depuis une vue de face du connecteur.

(Source : Duane Benson)

Les deux côtés du connecteur fournissent des broches d'alimentation et de masse identiques, ainsi que des lignes D+ et D– dupliquées. Pour la compatibilité USB 2.0, nous n'avons besoin de nous soucier que de D+, D–, Vbus, Masse, CC1 et CC2. Les broches restantes — TX1/2/+/–, RX1/2/+/–, et SBU1/2 — servent les modes à plus haut débit et alternatifs comme USB 3.1, DisplayPort et HDMI.

Seules les lignes d'alimentation, masse et données USB 2.0 sont miroitées exactement. En modes haut débit, l'électronique du câble intelligent assure le routage approprié, tandis que les paires D+/D– dupliquées du connecteur fournissent simplement une interface universelle réversible avec deux fils de moins dans le câble.

CC1 et CC2 agissent comme résistances de pull-down qui informent un câble intelligent ou un dispositif amont de l'orientation du câble et des options de livraison de puissance. Un dispositif USB 2.0 basique nécessite des pull-downs de 5,1 kΩ (R3 et R4) sur CC1 et CC2.

(Source : Duane Benson)

J2 est le connecteur Type-C, tandis que J1 est le connecteur Micro-B. Tous les broches D+ et D– se connectent au FT231X (U2) USBDM et USBDP via des résistances de 27 Ω (R1 et R2), reprenant un layout USB 2.0 standard. Toutes les autres broches restent non connectées.

Pour protéger contre le retour de 5 V si les deux câbles sont insérés simultanément, j'ai ajouté des diodes de protection (D20 et D21). Bien que la collision des lignes de données rende simplement la connexion inutilisable, les diodes protègent le MCU contre d'éventuels pics de tension.

Le layout ci-dessous illustre les tailles relatives des connecteurs Micro-B (J1) et Type-C montage surface ou traversant (J2).

(Source : Duane Benson)

Une vue comparative montre un USB Micro-B (en haut à gauche), un Type-C montage surface (en haut au milieu), et un Type-C combiné SMT/traversant (en haut à droite), tous mesurés contre un dime US pour l'échelle.

(Source : Duane Benson)

Jusqu'à ce que l'USB Type-C devienne le standard ubiquitaire, je continuerai à prévoir les deux connecteurs sur mes cartes, si l'espace le permet. Et vous ? Déployez-vous déjà le Type-C dans vos systèmes embarqués, ou y a-t-il un calendrier d'adoption ?