Az USB-C általi áramellátás alapjai
Az USB-C szabvány új lehetőségeket kínál az USB-n keresztül történő méretezhető áramellátásra, de a szabvány bonyolult, és a fejlesztők biztonsági és elrendezési problémákkal kerülnek szembe.
Az USB-C ismertetése
Az eredeti USB 1.1 szabvány maximum 500 mA áramerősséget és 5 V feszültséget (2,5 W teljesítmény) írt elő, és ugyanezt a maximumot biztosította az USB 2.0 is. Ez az USB 3.1 szabvánnyal változott, amely 900 mA maximális áramerősséget tesz lehetővé. Ezek mindegyike az ismerős téglalap alakú USB-csatlakozót használja. Azonban ahogy az USB mindenhol elterjedt, nőtt az alkalmazási sokrétűsége is, és növekedtek a felhasználói igények a csatlakozó kompatibilitását és az áramerősséget illetően is.
Ezek az igények vezettek az új USB Type-C™ (vagy röviden USB-C) szabvány kifejlesztéséhez. Az USB-C nem adatátviteli specifikáció, hanem egy kis méretű USB-csatlakozóra vonatkozó szabvány. Az USB története során mindig problémák adódtak a csatlakozó kompatibilitásával. A téglalap alakú USB-A csatlakozó bedugásakor mindig jelentkezett Murphy törvénye: mindegy, hogyan dugja be a felhasználó a polarizált csatlakozót, az mindig fordítva lesz (1. ábra). Még ha helyesen dugják is be, előfordulhat, hogy a csatlakozó nem érintkezik megfelelően, ennek hatására megpróbálják fordítva bedugni, majd ez ismétlődik újra és újra.
A polarizált USB-A csatlakozó nagy mérete miatt kifejlesztették a kisebb polarizált trapezoid mikro és mini csatlakozótípust, hogy kis méretű fogyasztói eszközökbe könnyebben lehessen USB-csatlakozót beépíteni. De még ezekkel is fennálltak ugyanazok az irányhelyességi problémák a fejlesztők és a használók számára, amelyek az USB-A esetében.
Az új USB-C csatlakozó (1. ábra, jobbra alul) csak kicsivel nagyobb, mint az androidos okostelefonokon és a dolgok internetére (IoT) kapcsolódásra tervezett eszközökön található USB mikro-B csatlakozó. Ez felváltja a számítógépen (gazdagép) és készüléken elhelyezett csatlakozót is, így a többféle kábel kiváltható egyetlen kábeltípussal. Ezenkívül az USB-C csatlakozó esetében a kialakítás nem gátolja meg a hibás bedugást, nincs ajánlott bedugási irány, így stabil kapcsolatot eredményez, akárhogyan dugjuk is be.
1. ábra Az USB-csatlakozók sokfélesége az USB 1.1 óta problémákat okozott a fejlesztőknek. A legelterjedtebb csatlakozó a felhasználói számítógépeken az USB-A típus, amely az USB 1.1, 2.0, 3.0 és 3.1. szabványokhoz is használható (A kép forrása: Wikipedia)
Az USB-C csatlakozó érintkezőkiosztása és teljesítményszintjei
Az USB-C csatlakozó jelenleg az USB 2.0-tól az USB 3.1 szabványig használható. USB 3.1 szabványú eszközök használata esetén a szabvány megköveteli az USB 2.0-val való visszafelé kompatibilitást, és az új kialakítású csatlakozónak ez a javasolt használati módja. A kisebb adatátviteli sebesség esetén a csatlakozó csak az USB 2.0 szabványt ismerő eszközökben használható.
Ha megnézzük az USB-C csatlakozóaljzat érintkezőkiosztását, azt látjuk, hogy a négy földérintkező (GND) a csatlakozó szélén található (2. ábra). Ez segíti a zajvédettséget, és megkönnyíti a csatlakozást a földelt fém csatlakozóházhoz. A D+ és D– szabványos USB 2.0-s kétirányú adatérintkezők meg vannak duplázva középen, és kötelező a használatuk minden USB-C adatátviteli megoldásban. Az USB 3.1-nek külön nagysebességű adatküldési és -fogadási útvonala van, és az RX1+ és RX1– fogadó érintkezők meg vannak duplázva az RX2+ és RX2– révén. Az USB 3.1 adatküldési út esetében ugyanez a helyzet a TX1+ és TX1–, valamint a megduplázásukként szereplő TX2+ és TX2– képében.
2. ábra Az USB-C 24 érintkezős aljzata nem polarizált, és fordítva is csatlakoztatható, lehetővé téve a dugó könnyű bedugását bármelyik irányban (A kép forrása: STMicroelectronics)
Az USB-C csatlakozószabvány támogatja a videojel-átvitelt is, köztük a DisplayPort és a HDMI szabványt. A szabvány ezt Alternate Mode-nak (változó üzemmódnak) nevezi, és a jelen cikk ezzel nem foglalkozik.
E tekintetben fontos, hogy az USB-C csatlakozószabvány 3,0 A áramerősséget engedélyez 5 V feszültség mellett, ami maximum 15 W teljesítménynek felel meg. Ennek továbbvitele az USB v2.0 áramellátási szabvány, amely engedélyezi, hogy az USB 3.1 szabványt támogató USB-C csatlakozó akár 100 W teljesítményt is szolgáltathasson (20 V, 5 A). Az áramellátás a négy VBUS érintkezőn át történik. Ennek révén az USB-illesztőfelület segédáramforrásból fő áramforrássá léphet elő.
Az USB-C csatlakozó kialakítása trükkös lehet
A készüléken belüli 100 W teljesítmény szolgáltatása az áramköri lap gondos kialakítását igényli mind a felhasználó, mind a fejlesztő biztonsága érdekében. A legtöbb készülék esetében nincs szükség ekkora teljesítményre, például még a nagyon nagy áramfelvételű okostelefon-töltők névleges áramerőssége is csak 3,0 A körül van. A legtöbb kereskedelmi forgalomban lévő USB-C csatlakozó legnagyobb előnye azonban az, hogy akár 5,0 A is folyhat a VBUS és a GND érintkezők között. Ezt támogatja az Amphenol FCI cég 10137062-00021LF jelű, USB 3.1 Gen 1 szabványú derékszögű USB-C csatlakozója (3. ábra).
3. ábra Az Amphenol FCI cég 10137062-00021LF jelű USB-C csatlakozója egy derékszögű, felülre szerelhető, rövid házú csatlakozó, amely szerelhető üregbe és felületre is (A kép forrása: Amphenol FCI)
Ez az USB-C csatlakozóaljzat legfeljebb 5 A áramerősséget tesz lehetővé, így a 100 W teljesítmény szolgáltatásához 20 V egyenfeszültség szükséges. A legtöbb készülékben azonban elegendő és biztonságos 25 W (5 V, 5 A) teljesítmény. Ez az USB-C csatlakozó az USB 3.1 Gen 1 5 Gb/s adatátviteli sebességét (azaz másodpercenként 5 gigabit) támogatja, és a legnagyobb ráadható feszültség 100 V egyen- vagy váltakozó feszültség, legfeljebb 1 A áramfelvétellel, hogy ne lépje túl a szabvány által engedélyezett maximum 100 W teljesítményt.
A csatlakozó szerelhető felületre vagy üregbe, és a nyomtatott áramköri lap felső oldalán kell elhelyezni. A rozsdamentes acél csatlakozóház erősebb, mint az alumínium, és elektromosan a GND csatlakozókhoz van kötve.
A házat négy keskeny füllel kell leföldelni, amelyek a nyomtatott áramköri lapon lévő furatokba csúsztathatók be; a csatlakozó mindkét oldalán két-két ilyen fül található. Ezeket a füleket a stabil kapcsolat biztosítása érdekében okvetlenül hozzá kell forrasztani a nyomtatott áramköri lap áramellátási földpontjához bőséges adag ónnal.
4. ábra Az Amphenol FCI ezen függőlegesen felszerelhető USB-C csatlakozója kis helyet foglal a nyomtatott áramköri lapon, ezért kiváló oda, ahol lényeges a helytakarékosság (A kép forrása: Amphenol FCI)
Az USB-C jelcsíkjának vonalvezetése
Az USB 3.1 nagy sebességű különbségi jeleit vivő csíkokat gondosan kell vezetni, hogy egymás mellett haladjanak, és pontosan ugyanakkora hosszban. A különbségi jeleket vivő csík nyomvonalát az elektromágneses zavarok minimálisra csökkentése érdekében a lehető legrövidebbre kell venni. A legjobb zajvédettség érdekében a különbségi jeleket vezető csíkokat helyezze a nyomtatott áramköri lap valamelyik belső rétegébe. Ha a nyomtatott áramköri lap külső rétegében vezeti őket, szigetelje el a jeleket vezető csíkokat más adatátviteli csíkoktól, földcsíkokkal véve körül a különbségi jeleket vezető csíkokat. Emellett az elektromágneses zavarok minimálisra csökkentése érdekében a különbségi jeleket vezető csíkokat mindig egy nagyobb méretű földelőfelület fölött vezesse.
A nyomtatott áramköri lapot úgy alakítsa ki, hogy a különbségi jeleket vezető csíkok impedanciája 90 ohm ±10% legyen, hogy megegyezzen az USB-kábel különbségijel-vezetékének impedanciájával. Ezenkívül vezesse mindegyik csíkot úgy, hogy minden csíkpár vezetékvégi impedanciája azonos legyen. Ökölszabály: a különbségi jeleket vezető csíkpár impedanciája minden helyzetben legyen a kétszerese a csíkpár egyik csíkja impedanciájának. Ennek megfelelően a csíkokat úgy kell vezetni, hogy minden csík vezetékvégi impedanciája 45 ohm ±10% környékén legyen.
Az USB-C tápvezetékcsíkjának vonalvezetése
A tápvezetékcsík vonalvezetése még nagyobb fontosságú. Az 5 A biztonságos továbbítását gondosan kell megtervezni, hogy megelőzzük a véletlen rövidzárakat a készülék házával vagy a felhasználóval. Az 5 A vezethető a nyomtatott áramköri lap felső vagy alsó rétegében, de a csík nem haladhat túl közel a nyomtatott áramköri lap széléhez. Ezzel megelőzhető, hogy valamilyen rázkódás vagy a ház sérülése miatt véletlenül hozzáérjen a készülék házához.
5 A-nek egy 70 μm vastag vörösréz réteggel ellátott nyomtatott áramköri lapon való vezetéséhez minimum 1,13 mm csíkszélesség szükséges. Biztonságosabb módszer elszigetelni az áramot minden külső hatástól a nyomtatott áramköri lap valamelyik belső rétegében vezetve az 5 A-t, amihez ugyanilyen vastag vörösréz réteg esetén minimum 3 mm csíkszélesség szükséges (a számítások az IPC-2221 profilon alapulnak). Az áramveszteség megakadályozása érdekében hagyjon meg a lehető legtöbb rezet a VBUS érintkezők közelében.
Függőlegesen felszerelhető USB-C csatlakozók
Ha szűkös a hely a nyomtatott áramköri lapon, az USB-C aljzat felszerelhető függőlegesen is. Erre szolgál az Amphenol FCI kínálatában szereplő, 10132328-10011LF jelű, függőlegesen felszerelhető, USB 3.1 szabványú USB-C csatlakozó.
Ez a függőleges USB-C csatlakozó a 10 Gb/s adatátviteli sebességet kínáló USB 3.1 Gen 2 adatátviteli szabványt támogatja. Emellett lehetővé teszi 100 W teljesítmény szolgáltatását 100 V legnagyobb ráadható egyen- vagy váltakozó feszültség mellett, és legfeljebb 5 A áramerősséggel használható. Ugyanolyan rozsdamentes acélháza van, mint a derékszögű csatlakozónak. Akárcsak a derékszögű csatlakozó esetében, ügyeljen arra, hogy a háznak a nyomtatott áramköri lap furatain átnyúló négy füle bőséges adag forrasztóónnal biztonságosan földelve legyen.
A derékszögű aljzattól eltérően ez az aljzat csak felületre szerelhető, a csatlakozó kisebbik végénél, így a VBUS tápfeszültség-érintkezők közelebb kerülnek a jelérintkezőkhöz. A tápfeszültség-érintkezőknek a jelérintkezőktől távol történő gondos vezetése alapkövetelmény. Mivel a szűkös hely adott, a legbiztonságosabb módszer az, ha az adatvezeték-csíkpárokat és a VBUS tápfeszültség-érintkezőket a nyomtatott áramköri lap külön rétegeibe helyezi.
Amikor feszültség alá helyezi a fenti aljzat csatlakozóit, lezajlik egy rövid kézfogási protokoll az USB-gazdagép és a készülék között, amely meghatározza a szolgáltatandó teljesítményt. Vannak olyan integrált áramkörök, amelyek kezelik a fogyasztó és az áramforrás közötti USB-kapcsolatokat, átláthatóvá téve a folyamatot a fejlesztő számára.
Jó példa erre az STMicroelectronics cég STUSB1700 jelű USB-C áramforrás-vezérlője. Ez az egység biztonságosan felügyeli a gazdagép és a készülék közötti 5 V-os USB-C kapcsolatokat. A tápfeszültség bekapcsolásakor az STUSB1700 érzékeli a tápáramkör zárlatát, és véd az ellen, megakadályozza a beprogramozott érték fölötti áramfelvételt, a 145 °C fölé hevülést, a feszültséghiányt és a túlfeszültséget, valamint a visszáramot és a záróirányú feszültséget. Ez nagymértékben leegyszerűsíti az USB-C rendszerek biztonságos tervezését, és egyben csökkenti a bonyolultságot a fejlesztő számára.
Az STUSB1700 jelű egység a gazdagép USB-C csatlakozóinál használható, és érzékeli a gazdagép és a készülék közötti újabb csatlakozásokat. Képes meghatározni a készülék teljesítményigényét, és ennek megfelelően szolgáltatja a szükséges erősségű áramot. Azt is meghatározza, hogy az eszköz digitális hangtechnikai tartozék, és így jelet tud küldeni a mikrovezérlőnek ahhoz, hogy digitális hangjelet szolgáltasson az USB-C porton keresztül. Képes kommunikálni az USB-készülékkel, és meghatározni, hogy annak áramfelvételi igénye alapértelmezett (max. 900 mA), közepes (max. 1,5 A) vagy magas (max. 3,0 A) USB-áramérték-e.
5. ábra Az STUSB1700 ebben az áramkörben 3 A áramot szolgáltat, és képes önállóan működni. Ha egy külön beszerezhető, I2C illesztőfelületű mikrovezérlő felügyeli, be kell szerelni az R3–R10 előfeszítő ellenállásokat (A kép forrása: STMicroelectronics)
Következtetés
Az új USB-C szabvány megkönnyíti a megfelelően megtervezett készülékek akár 100 W teljesítménnyel való biztonságos ellátását. Ha az összes okostelefon, digitális fényképezőgép és kamera, számítógép és elektronikus tartozék egyetlen könnyen használható csatlakozó használatára van szabványosítva, a fejlesztőknek nem kell aggódniuk amiatt, hogy milyen méretű és típusú csatlakozót használjanak, ami egyben időtállóvá is teszi a megtervezett készülékeket.
Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics
Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.digikey.hu
Még több Digi-Key Electronics
