Tantangan implementasi port USB Type-C dan solusi desain
USB dari 1.1 hingga 3.2 dan Selanjutnya
Pertama kali diluncurkan pada tahun 1996, universal serial bus (USB) menyatukan peran berbagai jenis koneksi dan ada di mana-mana dalam komputasi dan produk teknologi konsumen. Kehadirannya membuat menghubungkan beberapa periferal, seperti keyboard, mouse, printer, kamera, drive eksternal, atau lainnya, ke komputer menjadi mudah dan nyaman. Periferal tidak lagi ditentukan oleh antarmuka mereka dan pengguna tidak lagi perlu berurusan dengan beberapa jenis kabel untuk menghubungkan perangkat yang ingin mereka gunakan.
USB 1.1 memungkinkan kecepatan data maksimum 12Mbps. USB 2.0 meningkatkan standar menjadi 480Mbps untuk menangani berbagai peran termasuk streaming video dan mentransfer data dengan cepat dari perangkat eksternal ke hard drive PC. Dengan memasok hingga 2.5W pada 5V DC melalui VBUS dan pin ground yang ditentukan, antarmuka USB juga memungkinkan pengguna untuk memberi daya pada perangkat kecil, seperti drive eksternal, atau untuk mengisi daya laptop dan ponsel tanpa sambungan catu daya tambahan. Pada tahun 2007, industri smartphone mengamanatkan antarmuka pengisian daya USB untuk handset untuk memungkinkan pengisian daya dari stopkontak USB Tipe-A standar dan untuk menghindari beban limbah listrik karena pengisi daya khusus yang dibuang.
Tren konsumen saat ini menuntut lebih banyak bandwidth interkoneksi untuk sistem tertanam dalam produk pintar, seperti streaming sistem video HD dan 4K ultra-HD yang perlu mentransmisikan konten ke ukuran layar yang semakin besar dan bertukar data dengan drive penyimpanan multi-gigabit berkecepatan tinggi. Standar baru seperti HDMI pada 6Gbps, DisplayPort pada 8.1Gbps, dan Thunderbolt pada 20Gbps muncul untuk menangani peningkatan permintaan.
Untuk mempertahankan mahkota universal USB, USB Implementer's Forum (USB-IF) pertama kali memperkenalkan spesifikasi USB 3.2, yang mengidentifikasi tiga kecepatan transfer:USB 3.2 Gen1 (5Gbps), USB 3.2 Gen2 (10Gbps) dan USB 3.2 Gen2x2 (20Gbps memanfaatkan dual- antarmuka fisik jalur). Ini dipasarkan ke konsumen sebagai SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10Gbps, dan SuperSpeed USB 20Gbps.
Baru-baru ini, USB4 telah ditentukan dengan dukungan untuk kecepatan transfer 20Gbps (USB4 20Gbps) dan 40Gbps (USB4 40Gbps). Kompatibel dengan USB 3.2, USB 2.0, dan Thunderbolt 3, USB4 memperkenalkan perubahan termasuk arsitektur tunneling berorientasi koneksi yang memungkinkan beberapa protokol untuk digabungkan pada antarmuka fisik yang sama dan berbagi kecepatan dan kinerja keseluruhan dari struktur USB4.
Memperbarui Koneksi Fisik
Untuk mendukung spesifikasi kecepatan tinggi jalur ganda yang baru sementara pada saat yang sama memungkinkan kompatibilitas mundur dengan peralatan USB 2.0 lama, antarmuka fisik baru diperlukan. Antarmuka USB Type-C (USB-C) tidak hanya menggabungkan lebih banyak koneksi untuk dua set saluran data diferensial dan bus USB 2.0 yang beroperasi secara paralel, tetapi juga menambahkan fitur untuk mendukung spesifikasi Pengiriman Daya USB (USB PD). Fitur-fitur ini mencakup dua set pin daya dan ground dan saluran komunikasi di mana perangkat yang terhubung dapat menegosiasikan permintaan konsumsi daya dan kemampuan catu daya mulai dari USB 2.0 5V lama hingga spesifikasi 20V/5A terbaru. Penggunaan pita samping tambahan (SBU) juga disertakan untuk memungkinkan peningkatan kinerja dan fitur baru di masa mendatang.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 1. Pin Konektor USB-C (Sumber:Diodes Inc.)
USB-C menyederhanakan menghubungkan perangkat dari sudut pandang pengguna. Konektor tidak terpolarisasi, memungkinkan kabel dimasukkan ke atas; oleh karena itu, konektor USB-C sekarang memiliki 24 pin untuk memenuhi sejumlah besar sambungan daya dan data yang diperlukan untuk mendukung USB 3.2, USB4, dan USB Power Delivery (PD), dan untuk memungkinkan kompatibilitas mundur dengan USB 2.0, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Selain itu, antarmukanya bersifat dua arah, memungkinkan kabel memiliki konektor yang sama di setiap ujungnya dan memungkinkan perangkat yang terhubung untuk bertindak sebagai host atau perangkat atau sebagai konsumen atau pemasok daya.
Menerapkan USB-C
Dengan fleksibilitas ekstra dan permintaan untuk pin tambahan ini, antarmuka USB-C jauh lebih kompleks daripada pendahulunya. Perangkat yang terhubung dapat diklasifikasikan sebagai port yang menghadap ke hilir (DFP atau sumber), port yang menghadap ke hulu (UFP, atau Sink), atau port peran ganda (DRP) yang dapat menampung dan menenggelamkan data dan daya. Logika diperlukan untuk menangani kontrol konfigurasi dalam setiap kasus. Anda juga perlu mendeteksi orientasi plug-in kabel dan mengalihkan sinyal dengan benar, seperti USB 3.2 dan DisplayPort ke konektor USB-C. Selain itu, pelipatgandaan sinyal USB 2.0, pengalihan daya, dan kontrol pengisian daya, dan, tentu saja, ketentuan untuk integritas sinyal dan perlindungan tegangan transien diperlukan.
Perangkat, seperti PC notebook atau tablet, dapat berisi sirkuit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, untuk menyediakan antarmuka USB-C yang berfungsi penuh yang mampu menangani USB 3.2 dan data multimedia serta fungsi USB PD.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 2. Antarmuka USB-C yang Mendukung Multimedia USB 3.2, dan USB PD (Sumber:Diodes Inc.)
Sakelar matriks dua arah seperti Diodes PI3USB31532, yang ditunjukkan pada Gambar 2, menghadirkan solusi terintegrasi yang mampu menggandakan USB 3.2 Gen2 (jalur tunggal, 10Gbps SuperSpeed+) dan/atau hingga empat saluran sinyal DisplayPort 1.4 serta saluran tambahan melalui konektor USB-C. Sakelar ini dirancang dengan kerugian penyisipan rendah dan bandwidth -3dB yang luas sebesar 8,3 GHz untuk memastikan fidelitas sinyal hingga 10 Gbps.
Selain mendukung fungsi PI5USB31532 di atas, mux aktif seperti PI3DPX1205A1 6-saluran 4-jalur dapat digunakan. Mux ini menggabungkan fungsi ReDriver untuk mendorong jarak yang lebih jauh. Fitur termasuk pemerataan linier sisi-terima dan pengaturan keluaran untuk penguatan dan pemerataan datar memastikan integritas sinyal ganda dari ReDrivers CMOS yang sebanding.
Fungsi Pengiriman Daya USB dilakukan melalui pengontrol PD, yang memungkinkan pengiriman daya hingga 100W melalui konektor USB Type-C serta mengaktifkan mode alternatif data multimedia, seperti DP atau Thunderbolt, melalui antarmuka USB Type-C.
Perangkat seperti PI5USB2546A mengintegrasikan kontrol port pengisian daya dan sakelar daya 2.4A serta peralihan untuk jalur data USB 2.0 D+ dan D-. Bagian tersebut mendukung spesifikasi USB Battery Charging 1.2, termasuk mode charging downstream port (CDP) dan dedicated charging port (DCP) dan dapat digunakan di adaptor pengisi daya dinding serta perangkat host dan hub.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 3. Implementasi USB-C di Smartphone (Sumber:Diodes Inc.)
Gambar 3 menunjukkan implementasi port USB-C yang sesuai untuk smartphone. Sirkuit ini menggunakan contoh Dioda PI5USB31213A, yang menggabungkan fungsi pengontrol saluran konfigurasi USB Type-C bersama dengan fungsi multiplexing USB 3.2 Gen2 10Gbps untuk mengaktifkan data yang tepat ke konektor USB Type-C non-terpolarisasi. Perangkat menangani konfigurasi otomatis mode host, mode perangkat, atau port peran ganda berdasarkan level tegangan yang terdeteksi pada pin CC. Ini juga menyediakan deteksi orientasi konektor serta menegosiasikan arus pengisian melalui antarmuka USB Type-C. Atau, perangkat seperti PI3EQX10312 dapat digunakan. Ini berisi semua fungsi yang disertakan dalam PI5USB31213A dengan satu-satunya perubahan adalah penyertaan ReDriver untuk memungkinkan mengemudi jarak jejak yang lebih jauh.
klik untuk gambar lebih besar Gambar 4. Dock USB-C (Sumber:Diodes Inc.)
Sebagai contoh terakhir, Gambar 4 mengilustrasikan stasiun dok universal yang terhubung ke host upstream melalui satu port USB Type-C dan menyediakan DisplayPort, HDMI, VGA, dan beberapa port output USB 3.2 untuk perangkat hilir, seperti monitor dan eksternal penyimpanan. Ini juga menyediakan port LAN Gigabit Ethernet. Di sini, perangkat seperti sakelar palang PI3USB31532 USB Type-C atau palang aktif PI3DPX1205A1 USB 3.2 Gen 2 / DisplayPort 1.4 dapat digunakan untuk menangani perpindahan USB 3.2 dan DisplayPort. Sakelar daya yang ditunjukkan dalam diagram memungkinkan dok untuk mengirimkan daya ke komputer host melalui pin VBUS. Keluaran dari sakelar DP (misalnya PI3WVR31310A) baik langsung ke konektor DP atau melalui konverter HDMI atau VGA ke konektor HDMI dan VGA.
Kesimpulan
Perancang peralatan harus menghadapi kerumitan port USB-C untuk memanfaatkan sepenuhnya kemampuan daya dan data USB terbaru, termasuk pengiriman daya hingga 100W, kecepatan data USB 3.2 dan USB4, serta dukungan multi-protokol. Berbagai solusi terintegrasi tersedia untuk menangani peralihan data, peralihan daya, kontrol pengisian daya, dan deteksi orientasi kabel, yang menyederhanakan desain dan memudahkan sertifikasi produk serta menghemat ruang papan dan biaya bill-of-material.
