Défis de mise en œuvre du port USB Type-C et solutions de conception

USB de 1.1 à 3.2 et au-delà

Lancé pour la première fois en 1996, le bus série universel (USB) a unifié les rôles de plusieurs types de connexions différents et est omniprésent dans les produits informatiques et technologiques grand public. Son arrivée a rendu facile et pratique la connexion de plusieurs périphériques, tels que clavier, souris, imprimante, appareil photo, lecteur externe ou autres, à un ordinateur. Les périphériques n'étaient plus définis par leurs interfaces et les utilisateurs n'avaient plus besoin de gérer plusieurs types de câbles pour connecter les appareils qu'ils souhaitaient utiliser.

L'USB 1.1 permettait un débit de données maximal de 12 Mbps. L'USB 2.0 a élevé la barre à 480 Mbps pour gérer un large éventail de rôles, notamment le streaming vidéo et le transfert rapide de données depuis des périphériques externes vers un disque dur de PC. En fournissant jusqu'à 2,5 W à 5 V CC via des broches VBUS et de terre désignées, l'interface USB a également permis aux utilisateurs d'alimenter de petits appareils, tels que des disques externes, ou de charger des ordinateurs portables et des téléphones portables sans connexions d'alimentation supplémentaires. En 2007, l'industrie des smartphones a mandaté l'interface de chargement USB pour les combinés afin de permettre le chargement à partir d'une prise USB de type A standard et d'éviter la charge de déchets électriques due aux chargeurs dédiés mis au rebut.

Les tendances de consommation d'aujourd'hui exigent encore plus de bande passante d'interconnexion pour les systèmes embarqués dans les produits intelligents, tels que les systèmes vidéo en streaming HD et 4K ultra-HD qui doivent diffuser le contenu sur des écrans de plus en plus grands et échanger des données avec des disques de stockage multi-gigabit à haute vitesse. De nouvelles normes telles que HDMI à 6 Gbit/s, DisplayPort à 8,1 Gbit/s et Thunderbolt à 20 Gbit/s sont apparues pour répondre aux demandes croissantes.

Pour conserver la couronne universelle de l'USB, l'USB Implementer's Forum (USB-IF) a d'abord introduit la spécification USB 3.2, qui identifie trois taux de transfert :USB 3.2 Gen1 (5 Gbit/s), USB 3.2 Gen2 (10 Gbit/s) et USB 3.2 Gen2x2 (20 Gbit/s en tirant parti du double interface physique de la voie). Ceux-ci sont commercialisés auprès des consommateurs sous les noms de SuperSpeed USB 5 Gbit/s, SuperSpeed ​​USB 10 Gbit/s et SuperSpeed ​​USB 20 Gbit/s.

Plus récemment, USB4 a été spécifié avec une prise en charge des taux de transfert de 20 Gbps (USB4 20 Gbps) et 40 Gbps (USB4 40 Gbps). Rétrocompatible avec USB 3.2, USB 2.0 et Thunderbolt 3, l'USB4 introduit des changements, notamment une architecture de tunneling orientée connexion qui permet à plusieurs protocoles d'être combinés sur la même interface physique et de partager la vitesse et les performances globales de la matrice USB4.

Mise à niveau de la connexion physique

Pour prendre en charge les nouvelles spécifications haute vitesse à double voie tout en permettant une rétrocompatibilité avec les équipements USB 2.0 hérités, une nouvelle interface physique est requise. L'interface USB Type-C (USB-C) intègre non seulement plus de connexions pour deux ensembles de canaux de données différentiels et un bus USB 2.0 fonctionnant en parallèle, mais ajoute également des fonctionnalités pour prendre en charge la spécification USB Power Delivery (USB PD). Ces fonctionnalités incluent deux ensembles de broches d'alimentation et de terre et un canal de communication sur lequel les appareils connectés peuvent négocier leurs demandes de consommation d'énergie et leurs capacités d'alimentation allant de l'ancien USB 2.0 5V à la dernière spécification 20V/5A. Une utilisation supplémentaire de la bande latérale (SBU) est également incluse pour permettre de futures améliorations des performances et de nouvelles fonctionnalités.

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Figure 1. Broches du connecteur USB-C (Source :Diodes Inc.)

L'USB-C simplifie la connexion des appareils du point de vue de l'utilisateur. Le connecteur n'est pas polarisé, ce qui permet d'insérer le câble dans les deux sens; par conséquent, le connecteur USB-C dispose désormais de 24 broches pour prendre en charge le grand nombre de connexions d'alimentation et de données nécessaires pour prendre en charge USB 3.2, USB4 et USB Power Delivery (PD), et pour permettre la rétrocompatibilité avec USB 2.0, comme indiqué dans la figure 1.

De plus, l'interface est bidirectionnelle, ce qui permet aux câbles d'avoir le même connecteur à chaque extrémité et aux appareils connectés d'agir en tant qu'hôte ou appareil ou en tant que consommateur ou fournisseur d'énergie.

Mise en œuvre de l'USB-C

Avec cette flexibilité supplémentaire et cette demande de broches supplémentaires, l'interface USB-C est considérablement plus complexe que ses prédécesseurs. Les périphériques connectés peuvent être classés comme port orienté vers l'aval (DFP ou source), port orienté vers l'amont (UFP ou Sink) ou port à double rôle (DRP) capable à la fois de source et de réception des données et de l'alimentation. La logique est requise pour gérer le contrôle de la configuration dans chaque cas. Il est également nécessaire de détecter l'orientation du plug-in du câble et de basculer correctement les signaux, tels que USB 3.2 et DisplayPort vers le connecteur USB-C. De plus, le multiplexage des signaux USB 2.0, la commutation d'alimentation et le contrôle de charge, et, bien sûr, des dispositions pour l'intégrité du signal et la protection contre les tensions transitoires sont requis.

Un appareil, tel qu'un ordinateur portable ou une tablette, peut contenir des circuits, comme illustré à la figure 2, pour fournir une interface USB-C entièrement fonctionnelle capable de gérer l'USB 3.2 et les données multimédia ainsi que la fonctionnalité USB PD.

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Figure 2. Interface USB-C prenant en charge le multimédia USB 3.2 et USB PD (Source :Diodes Inc.)

Les commutateurs matriciels bidirectionnels tels que les Diodes PI3USB31532, illustrés à la Figure 2, offrent une solution entièrement intégrée capable de multiplexer USB 3.2 Gen2 (voie unique, 10 Gbit/s SuperSpeed+) et/ou jusqu'à quatre canaux de signaux DisplayPort 1.4 ainsi que des canaux auxiliaires via le connecteur USB-C. Le commutateur est conçu avec une faible perte d'insertion et une large bande passante de -3 dB de 8,3 GHz pour assurer la fidélité du signal jusqu'à 10 Gbit/s.

En plus de prendre en charge la fonction PI5USB31532 ci-dessus, un multiplexeur actif tel que le PI3DPX1205A1 à 6 canaux et 4 voies peut être utilisé. Ce mux intègre une fonction ReDriver pour parcourir de plus longues distances. Les fonctionnalités, notamment l'égalisation linéaire côté réception et les paramètres de sortie pour un gain et une égalisation plats, garantissent le double de l'intégrité du signal des ReDrivers CMOS comparables.

La fonction USB Power Delivery est exécutée via le contrôleur PD, qui permet une alimentation jusqu'à 100 W via le connecteur USB Type-C ainsi que l'activation de modes alternatifs de données multimédia, tels que DP ou Thunderbolt, via l'interface USB Type-C.

Un appareil tel que le PI5USB2546A intègre le contrôle du port de charge et un interrupteur d'alimentation 2,4 A ainsi que la commutation pour les lignes de données USB 2.0 D+ et D‐. La pièce prend en charge la spécification de charge de batterie USB 1.2, y compris les modes de charge du port en aval (CDP) et du port de charge dédié (DCP) et peut être utilisée dans les adaptateurs de charge murale ainsi que les périphériques hôtes et concentrateurs.

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Figure 3. Implémentation de l'USB-C dans les smartphones (Source :Diodes Inc.)

La figure 3 montre une implémentation de port USB-C adaptée à un smartphone. Ce circuit utilise l'exemple d'une diode PI5USB31213A, qui intègre la fonction de contrôleur de canal de configuration USB Type-C ainsi que la fonction de multiplexage USB 3.2 Gen2 10 Gbps pour permettre les données appropriées au connecteur USB Type-C non polarisé. L'appareil gère la configuration automatique du mode hôte, du mode appareil ou du port à double rôle en fonction des niveaux de tension détectés sur la broche CC. Il permet également de détecter l'orientation du connecteur et de négocier le courant de charge via l'interface USB Type-C. Alternativement, un appareil tel que le PI3EQX10312 peut être utilisé. Celui-ci contient toutes les fonctions incluses dans PI5USB31213A, le seul changement étant l'inclusion d'un ReDriver pour permettre de parcourir de plus longues distances de suivi.

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Figure 4. Station d'accueil USB-C (Source :Diodes Inc.)

Comme dernier exemple, la figure 4 illustre une station d'accueil universelle qui se connecte à un hôte en amont via un seul port USB de type C et fournit des ports de sortie DisplayPort, HDMI, VGA et USB 3.2 pour les périphériques en aval, tels qu'un moniteur et un stockage. Il fournit également un port LAN Gigabit Ethernet. Ici, un appareil tel que le commutateur crossbar USB Type-C PI3USB31532 ou le crossbar actif PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 peut être utilisé pour gérer la commutation USB 3.2 et DisplayPort. L'interrupteur d'alimentation illustré dans le schéma permet à la station d'accueil d'alimenter l'ordinateur hôte via les broches VBUS. La sortie du commutateur DP (par exemple PI3WVR31310A) va directement au connecteur DP ou via le convertisseur HDMI ou VGA vers les connecteurs HDMI et VGA respectivement.

Conclusion       

Les concepteurs d'équipements doivent faire face aux complexités du port USB-C pour tirer pleinement parti des dernières capacités d'alimentation et de données USB, y compris une alimentation jusqu'à 100 W, des débits de données USB 3.2 et USB4 et une prise en charge multi-protocole. Une variété de solutions intégrées sont disponibles pour gérer la commutation de données, la commutation d'alimentation, le contrôle de la charge et la détection de l'orientation des câbles, ce qui simplifie la conception et facilite la certification des produits, tout en économisant de l'espace sur la carte et des coûts de nomenclature.