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Adopción de USB tipo C

Andrew Rogers ofrece consejos a los diseñadores de hardware que adaptan sus diseños de USB 2.0 a USB 3.0 mediante cable USB tipo C

La especificación USB tipo C, presentada en agosto de 2014, aumenta las capacidades de USB. Para aprovechar este conjunto de funciones ampliado, el coste de implementación por puerto USB puede verse incrementado de forma significativa. Sin embargo, aún es posible realizar diseños de bajo coste. Por ejemplo, se puede implementar un puerto ascendente UFP (upstream facing port) USB tipo C seleccionando unos pocos componentes discretos que facilitarán la migración desde diseños existentes de tipo B, mini B y micro B con un bajo coste. Un UFP es un puerto en el lado del dispositivo que se puede o no cargar o alimentar a partir de Vbus. Un UFP debe tener como mínimo una conexión de dispositivo USB 2.0 y proporcionar resistencias pull-down Rd en las patillas de CC. De manera opcional, el UFP debe también podría detectar la inserción y orientación del cable si no se utiliza USB 3.0 o 3.1, y detectar la capacidad de corriente del DFP si el UFP solo consume la carga de corriente del USB existente.

USB tipo C

El cable USB tipo C es una interconexión reversible de 24 patillas creada por el USB-IF. El cable es un cable universal que cubre las necesidades de un amplio abanico de aplicaciones de computación, visualización y carga. El objetivo a largo plazo del cable tipo C es sustituir todas las versiones anteriores del cable USB y ampliar considerablemente las capacidades en general. La reciente introducción de la alimentación USB y los modos alternativos de funcionalidades amplían aún más el potencial para un mayor grado de adopción del estándar USB en abanico más amplio de aplicaciones. El coste de la implementación de la alimentación y el modo alternativo es mucho más elevado que en los diseños existentes de USB y estas capacidades no se necesitan en todas las aplicaciones. Si se observa el receptáculo USB tipo C de la Fig. 1, los dos conjuntos de pares diferenciales de USB 2.0 en las patillas del conector solo se conectan a un solo par diferencial en el estándar USB 2.0 o a cables USB tipo C con todas las funciones. En un diseño típico, las patillas D+ y D- están cortocircuitadas sobre la placa, por lo que no hace falta un multiplexor o interruptor. El segundo conjunto de patillas – B6 y B7 – se puede reposicionarse solo en aplicaciones de acoplamiento donde hay una sola orientación posible. Por defecto solo se utiliza un conjunto de pares diferenciales de TX y RX para comunicaciones 3.0 y 3.1, dependiendo de la orientación de la inserción del cable. Debido a la reversibilidad del cable, los canales USB 3.0 y 3.1 se deben reenrutar hacia la conexión de la orientación. En una aplicación típica se podría utilizar un multiplexor de tipo 2:1 para lograrlo. En una aplicación básica de UFP tipo C, las patillas CC se utilizan para detectar la orientación del cable y la detección de capacidad de corriente de tipo C. Los cables SBU son cables para señal de baja velocidad que se asignan únicamente para su uso en modo alternativo.

Implementación de UFP

La implementación más básica y de menor coste de un UFP USB tipo C requiere tres componentes: un dispositivo USB 2.0 o puerto ascendente concentrador; un receptáculo USB tipo C; y resistencias pull-down Rd de la patilla CC. Para implementar un dispositivo USB 3.0 o 3.1 y un concentrador con detección de corriente de USB tipo C se necesitan los siguientes componentes: un dispositivo USB 3.0 o 3.1 o puerto ascendente concentrador; un receptáculo USB tipo C; resistencias pull-down Rd de la patilla CC; multiplexor 2:1 USB 3.0 o 3.1; y comparadores CC. Para detección de orientación se necesita como mínimo un comparador para determinar la orientación de la conexión USB tipo C y controlar el multiplexor 2:1 del USB 3.0 o 3.1. Para detección de capacidad de corriente tipo C se necesitan dos comparadores para detectar 1,5A, dos comparadores para detección de 3,0A o cuatro comparadores para detectar ambas capacidades. La Fig. 2 muestra un UFP tipo C con detección de corriente de 3,0A. Se puede utilizar cualquier puerto de dispositivo o puerto ascendente de concentrador USB 2.0 o 3.0 y 3.1 y cualquier receptáculo tipo C estándar de 24 patillas.  ambas patillas CC a GND a través de una resistencia Rd. Un DFP debe implementar una resistencia pull-up Rp para 5,0 o 3,3V. Cuando se realiza una conexión de DFP a UFP se forma un divisor resistivo y se puede medir la tensión en la patilla CC para interpretar el tipo de conexión. Se puede implementar una pinza de tensión en lugar de una resistencia pulldown, pero en tal caso no se podría conseguir la detección de capacidad de alimentación.

Banco comparador

Un UFP no necesita ningún microcontrolador pero las tensiones en las patillas CC se han de supervisar para detectar la orientación de la conexión y la capacidad de generación de corriente del DFP si el consumo de corriente es superior a los de versiones anteriores de USB. El uso de comparadores es una manera sencilla de realizar esta detección. Se puede utilizar un solo comparador en la patilla CC1 o CC2 con una tensión de referencia de 0,25V para detectar la orientación del cable. Por ejemplo, si se suministra Vbus y la conexión CC se conecta a la patilla CC1, no se impondrá la salida de los comparadores y el UFP puede concluir se ha insertado un cable en la orientación no invertida. Si se suministra Vbus, se conecta CC a la patilla CC2 y la tensión en CC2 supera los 0,25V, se impondrá la salida del comparador y el UFP puede deducir que se ha insertado un cable en orientación invertida. Si se necesita una corriente superior a la de la versión anterior de USB se pueden añadir comparadores para detectar la capacidad de corriente del DFP. La especificación del tipo C define los rangos de tensión en la patilla CC que comunican la capacidad de corriente del DFP. La medida para la detección de carga de corriente debe eliminar los rebotes de señal antes de que pueda darse por bueno el aviso de corriente en el DFP. Una vez aprobada la detección, el UFP debe ajustar su carga.

Multiplexor de señal

Hay varias opciones para conectar las señales USB a los receptáculos de tipo C y éstas difieren ligeramente entre aplicaciones USB 2.0 y USB 3.0 y 3.1. El método más robusto para aplicaciones USB 2.0 consiste en utilizar un conmutador USB de alta velocidad para controlar el enrutamiento de las señales USB. El USB3740 de Microchip es un dispositivo económico para este fin y ofrece varias ventajas: una ESD muy elevada de ±15kV (IEC); bajo consumo de 5μA (en funcionamiento) y 1 μA (apagado); un nivel de aislamiento en apagado inferior a -40 dB; gran ancho de banda de hasta 1GHz; conservación de la integración de señal; y un encapsulado pequeño de 1,3 por 1,8 mm, DFN de 10 patillas con un paso de 0,4mm. El método más simple consiste en cortocircuitar las patillas DP y DM en el receptáculo. Solo habrá un par DP-DM activo en el conector a la vez. Sin embargo, esta implementación afectará negativamente a la integridad de las señales USB debido a la creación de adaptadores en las pistas de USB. La única opción factible para un UFP USB 3.0 y 3.1 es añadir un conmutador Super-Speed USB 3.0 y 3.1 para controlar el enrutamiento de las señales USB.

Conclusión

Si bien el coste de la implementación por cada puerto USB puede verse aumentado significativamente con la especificación de tipo C, es posible realizar diseños de bajo coste. Tal como se ha explicado, se puede implementar un UFP USB tipo C con unos pocos componentes discretos.



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