USB-C : Une nouvelle norme sur le marché

Développement des normes USB 3.1 et USB-C

La spécification Universal Serial Bus (USB) date de 1994, c’est-à-dire de plus de 20 ans, lorsque son développement fut lancé par un groupe de sept sociétés, parmi lesquelles figuraient Intel et Microsoft. Le conseil d’administration actuel comprend en outre HP, Renesas et STMicroelectronics, connus collectivement sous le nom de USB Implementers Forum (USB-IF).

La norme USB 1.1, lancée en 1998, fut la première version largement adoptée. La vitesse de transfert de données n’a cessé de croître au fil des versions successives, comme l’indique le Tableau 1.

Tableau 1 : Versions USB (Source : Wikipédia)

Avant la norme USB-C, il existait trois sortes ou dimensions de base associées aux raccordements USB et types de connexion établie : l’ancienne taille « standard », dans ses variantes SB 1.1/2.0 et USB 3.0 (par exemple, sur les clés USB), la taille « mini » (principalement pour l’extrémité du raccordement B, comme sur de nombreux appareils photos) et la taille « micro », dans ses variantes USB 1.1/2.0 et USB 3.0 (par exemple sur la plupart des téléphones mobiles actuels).

Les anciennes normes USB définissent un autre type de raccordement (type A ou type B) pour empêcher les surcharges électriques et éviter d’endommager l’équipement ; seul le raccordement de type A fournit une alimentation. Chacune des tailles requiert quatre raccordements différents. Les câbles USB sont dotés des raccordements de type A et B et les réceptacles correspondants se trouvent sur l’ordinateur ou l’appareil électronique. En pratique, le raccordement de type A est généralement de grande taille et celle du raccordement de type B peut varier en fonction des besoins.

Norme USB-C

Figure 1 : Comparaison entre les raccordements USB de type A et de type C. (Source : AliExpress)

USB-C est la norme la plus récente en matière de raccordements et de câbles USB apportant plusieurs avancées importantes en termes d’interconnexion USB. Bien qu’il soit plus fin que celui de type A (2,4 mm contre 4,5 mm), comme l’indique la Figure 1, il comporte 24 broches contre 5 dans les versions précédentes. Le raccordement est également réversible et peut être branché sur un réceptacle dans les deux sens sans aucun problème.

USB-C vise à être une norme commune pour les hôtes et les réceptacles en remplacement des divers raccordements de type A et B. Elle est supposée être une norme d’avenir avec possibilité de future extension. Elle s’adapte également à d’autres normes grâce à son mode alternatif, dont il est question ci-dessous.

En raison de l’omniprésence des versions précédentes des normes USB et des perspectives d’avenir, on en parle comme d’une « norme unique régissant toutes les autres », et ce à juste titre.

Description de la norme USB-C

USB-C est une norme relative aux raccordements et aux câbles et doit être distinguée des deux autres normes associées suivantes : la norme USB 3.1 et les spécifications USB Power Delivery.

Si un produit présente les caractéristiques USB-C, cela ne signifie pas nécessairement qu’il prend en charge les normes USB 3.1 ou USB Power Delivery. Ainsi, par exemple, il est possible d’utiliser un câble et un raccordement USB-C dans un système USB 2.0 standard qui ne prend en charge ni USB 3.1, ni USB PD.

Cela semble logique : un disque flash, par exemple, peut être doté d’un raccordement de type A, ne prendre en charge que la norme USB 2.0 et devoir tout de même être connecté au réceptacle USB-C d’un ordinateur portable. Toutefois, de nombreux câbles adaptateurs sont disponibles.

Broches USB-C

Figure 2 : Broches USB-C. (Source : Arstechnica)

La Figure 2 représente les broches USB-C. Elle comporte cinq parties distinctes :

1)      4 paires de fil et une masse VBUS/GND

2)      Chemin d’accès aux données haute vitesse : 4 paires différentielles pour le mode SuperSpeed USB 3.1, s’il est mis en œuvre. Le mode SuperSpeed utilise la communication full-duplex.

3)      2 paires D+/D- USB 2.0 : requises pour mettre en œuvre la fonctionnalité USB 2.0 (une seule paire utilisée)

4)      2 broches latérales : disponibles pour l’utilisation du mode alternatif

5)      2 broches de configuration de fiche CC : utilisées pour détecter l’orientation du câble et mettre en œuvre les spécifications USB Power Delivery.

Comment la norme USB-C permet-elle la réversibilité des raccordements ? Les broches sont rotativement symétriques. Les broches d’alimentation VBUS et GND correspondent toujours ; l’inversion du raccordement permet de connecter la paire TX1 à la paire TX2, la paire RX1 à la paire RX2 et ainsi de suite. Les deux broches CC servent à déterminer l’orientation du raccordement à l’insertion dans le réceptacle ; le périphérique hôte modifie alors les broches du réceptacle en conséquence.

Mode alternatif USB-C

Ce mode consacre certains des fils physiques du câble USB de type C à la transmission directe de périphérique à hôte de protocoles de données alternatifs. Les quatre voies à haute vitesse, les deux broches SBU et, pour les applications relatives aux stations d’accueil, aux périphériques détachables et aux câbles permanents uniquement, deux broches USB 2.0 et une broche de configuration peuvent être utilisées pour la transmission via le mode alternatif. Les modes sont configurés à l’aide de messages définis par le fournisseur par le biais des broches CC.

Par exemple, DisplayPort est une norme d’interface populaire pour la connexion d’une source vidéo à un périphérique d’affichage, tel qu’un écran d’ordinateur. Son autorité de contrôle VESA et le USB-IF ont élaboré la « norme Mode Alt DisplayPort pour USB Type-C », qui régit son utilisation via USB-C. La norme DP Alt Mode permet à des raccordements et des câbles USB Type-C standard d’acheminer des signaux DisplayPort natifs en adaptant jusqu’à quatre broches SuperSpeed (deux paires TX/RX). Les broches de bus secondaires Type-C peuvent également être utilisées pour le canal DisplayPort AUX, qui est normalement utilisé par les périphériques DisplayPort pour acheminer des données non vidéo, comme des informations audio ou issues d’un écran tactile.

Spécifications du câble USB-C

Le raccordement USB-C peut être utilisé avec un câble direct classique ; il existe aussi des spécifications pour un câble USB Type-C complet : un câble actif marqué électroniquement qui contient une puce dotée d’une fonction d’ID basée sur le canal des données de configuration et les messages définis par le fournisseur issus des spécifications USB Power Delivery 2.0.

Les périphériques USB Type-C prennent également en charge des courants d’alimentation de 1,5 et 3 A sur le bus d’alimentation 5 V en plus de la base de 900 mA ; les périphériques peuvent négocier un courant USB plus élevé par le biais de la ligne de configuration ou prendre en charge les spécifications complètes Power Delivery.

Conception du système USB

L’élaboration d’une conception USB Type-C efficace, robuste et totalement conforme, nécessite un grand nombre de composants différents, comme illustré dans la Figure 3. Voici la liste de certains des blocs :

Interrupteurs de chargement : Isole automatiquement le système d’une source de charge défaillante. Recherchez des fonctionnalités supplémentaires comme une protection contre les sous-tensions/surtensions, la protection contre l’inversion de courant, la protection contre une température excessive et des limites de courant programmables.

USB PD PHY : Si votre système est également conforme aux spécifications USB Power Delivery, un contrôleur de combinaison et un répondeur de protocole sont requis pour établir une opération de liaison et délivrer de la puissance.

Microcontrôleur US PD : La fonctionnalité Type-C exige une prise de décision complexe nécessitant l’intervention d’un microcontrôleur et d’un micrologiciel spécialisé.

Commutateurs hautes performances : Offrent une fonction permettant de multiplexer ou de démultiplexer un signal redirigeant les signaux transmis vers les mêmes ports de connexion ou des ports différents. Il est possible d’associer ces fonctions dans un commutateur à point de couplage pour la prise en charge des fonctions du mode alternatif.

Conditionneurs de signal : Régénèrent le signal USB, suppriment la gigue, étendent la transmission du canal et réduisent le taux d’erreur binaire (BER).

Protection d’interface : Offre une protection ESD et des filtres de mode commun qui permettent d’éliminer les interférences issues des technologies sans fil de type GSM, LTE et Wi-Fi.

Figure 3 : Solution système pour raccordement USB Type-C. (Source : NXP)

Le partenariat entre Arrow et NXP

Arrow Electronics est un géant de la distribution avec un montant de ventes s’élevant à 22,8 milliards de dollars en 2014. En tant que société figurant dans le classement « Fortune 500 » avec 17 000 employés et un réseau mondial de plus de 460 agences implantées dans 58 pays, nous proposons des solutions technologiques aux clients du monde entier, ainsi que des services et une expertise spécialisés tout au long du cycle de vie du produit.

Nous sommes spécialistes en matière de mise sur le marché de technologies, notamment par l’organisation d’événements spéciaux, de forums technologiques, de comités personnalisés pour permettre à nos clients de se familiariser avec des technologies révolutionnaires, telles que la norme USB-C. Et nous allons au-delà en combinant les technologies de plusieurs fournisseurs afin d’élaborer des solutions complètes pour accélérer votre mise sur le marché.

En tant que leader de longue date des systèmes USB, NXP est un maillon essentiel de l’équipe d’élaboration de la norme USB-C et dispose de la gamme la plus complète de produits et de solutions système pour ce nouveau marché. Les produits NXP pour USB-C incluent les MCU basés sur ARM avec micrologiciel USB-PD, les conditionneurs de signal pour améliorer les distances de transmission et réduire le taux d’erreur binaire, les commutateurs d’alimentation à N canaux qui isolent automatiquement un système d’une source ou d’une charge défaillante et le nouveau périphérique PUSB3TB6 de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) de toute petite taille conçu pour protéger six lignes de données ultrarapides.

Compte tenu de cette vaste expérience, il est logique qu’Arrow et NXP travaillent en partenariat pour vous permettre de passer à la technologie USB-C de manière aussi transparente que possible. Bien que ce projet ne soit pas encore finalisé, nous envisageons de proposer des solutions USB-C NXP-Arrow uniques dans un avenir proche.

Conclusion

La combinaison des normes USB-C, USB 3.1 et USB PD est l’avenir de la technologie USB. Les aspects innovants du système complet, comme le raccordement réversible, la vitesse accrue et le nouveau format PD, introduit certainement des défis spécifiques en matière de conception, ainsi que de nouvelles exigences en matière de protection des signaux et de garantie des performances dans tous les types de conditions.

À la différence d’autres normes prometteuses qui n’ont pas tenu connu de succès sur le marché, la question relative à l’adoption de la technologie USB-C se pose plutôt en termes de rapidité. De nouveaux produits sont déjà commercialisés. La seule vraie question qui se pose est de savoir quel délai s’écoulera avant que cette norme ne devienne la seule dont vous ayez besoin.