USB-C: il nuovo "pezzo forte"

La strada verso USB 3.1 e USB-C

La specifica USB (Universal Serial Bus) risale a vent'anni fa, nel 1994, quando ne è stato iniziato lo sviluppo da un gruppo di sette aziende, tra cui Intel e Microsoft. L'attuale consiglio di amministrazione include inoltre HP, Renesas e STMicroelectronics, noti collettivamente come USB-IF (USB Implementers Forum).

USB 1.1, introdotto nel 1998, è stata la prima versione largamente adottata. La velocità di trasferimento dei dati è aumentata costantemente nelle versioni successive, come è possibile osservare nella Tabella 1.

Tabella 1: versioni USB (fonte: Wikipedia)

Prima di USB-C, esistevano tre tipi o formati di base relativi ai connettori USB e ai tipi di connessione stabilita: il formato "standard" più vecchio, nelle varianti USB 1.1/2.0 e USB 3.0 (ad esempio, sulle unità flash USB), il formato "mini" (principalmente per il lato connettore B, ad esempio in molte telecamere) e il formato "micro", nelle varianti USB 1.1/2.0 e USB 3.0 (ad esempio, sulla maggior parte degli attuali telefoni cellulari).

Gli standard USB precedenti specificavano un tipo diverso di connettore (di tipo A o B), in modo da evitare sovraccarichi elettrici e danni alle apparecchiature; solo la presa di tipo A fornisce alimentazione. Ciascuno dei diversi "formati" richiede quattro connettori diversi; i cavi USB hanno spine di tipo A e di tipo B e le prese corrispondenti si trovano sul computer o dispositivo elettronico. In pratica, il connettore di tipo A è in genere nel formato completo, mentre il lato di tipo B può variare in base alle esigenze.

Specifiche USB-C

Figura 1: confronto tra USB di tipo A e USB di tipo C. (Fonte: AliExpress)

La specifica più recente di cavo e connettore USB è USB-C, che comporta alcuni importanti progressi per l'interconnessione USB. Sebbene sia molto più sottile del tipo A (2,4 mm rispetto ai 4,5 mm), come si vede nella figura 1, contiene 24 pin rispetto ai 5 delle versioni precedenti Il connettore è anche reversibile e può essere inserito in una presa in entrambe le direzioni senza alcun problema.

USB-C è destinato ad essere uno standard comune sia per gli host che per le prese, sostituendo i vari connettori di tipo A e di tipo B. È concepito per essere "a prova di futuro", con capacità di espansione futura; supporta anche altri standard grazie alla modalità alternata, esaminata di seguito.

Tenuta in considerazione l'ubiquità delle precedenti versioni di USB e le prospettive di crescita future, si ritiene, per buoni motivi, che diventerà l'unico standard adottato universalmente.

Cosa è e cosa non è USB-C

USB-C è una specifica connettore e cavo e dovrebbe essere distinto da altre due specifiche correlate: USB 3.1 e USB Power Delivery.

Se un prodotto è dotato di USB-C, non significa necessariamente che supporti USB 3.1 o USB Power Delivery. Pertanto, ad esempio, un connettore e cavo USB-C può essere utilizzato in un sistema USB 2.0 standard che non supporta né USB 3.1 né USB PD.

Ciò ha senso: un'unità flash, ad esempio, può avere un connettore di tipo A e supportare solo USB 2.0, ma deve comunque essere collegata alla presa USB-C di un computer portatile. Ciò non rappresenta un problema, poiché sono disponibili numerosi cavi adattatori.

Piedinatura USB-C

Figura 2: piedinatura USB-C. (Fonte: Arstechnica)

Nella Figura 2 è mostrata la piedinatura USB-C. Sono presenti cinque sezioni distinte:

1)      4 coppie alimentazione e terra VBUS/GND

2)      Percorso dati ad alta velocità (HSDP): 4 coppie differenziali per la modalità USB 3.1 SuperSpeed, se implementata. SuperSpeed utilizza la comunicazione full-duplex.

3)      2 coppie USB 2.0 D+/D-:  necessarie per implementare la funzionalità USB 2.0 (solo 1 coppia utilizzata)

4)      2 pin banda laterale: disponibili per l'utilizzo della modalità alternata

5)      2 pin di configurazione presa CC: utilizzati per rilevare l'orientamento cavi e implementare la specifica USB Power Delivery

In che modo USB-C raggiunge la reversibilità del connettore? I pin ruotano in modo simmetrico. I pin di alimentazione VBUS e GND corrispondono sempre; capovolgendo il connettore, la coppia TX1 viene collegata a TX2, la coppia RX1 a RX2 e così via. I due pin CC sono utilizzati per determinare l'orientamento del connettore all'inserimento nella presa; il dispositivo host cambia quindi la piedinatura della presa di conseguenza.

Modalità alternata di USB-C

In modalità alternata alcuni dei fili fisici nel cavo USB di tipo C sono dedicati alla trasmissione diretta dispositivo/host dei protocolli di dati alternati. Per la trasmissione in modalità alternata, è possibile utilizzare quattro linee ad alta velocità, due pin bande laterali (SBU) e, solo per applicazioni di cavi permanenti e dispositivi rimovibili ancorati, due pin USB 2.0 e un pin di configurazione. Le modalità vengono configurate utilizzando messaggi definiti dal venditore (VDM) attraverso i pin CC.

Ad esempio, DisplayPort è uno standard di interfaccia popolare per il collegamento di una sorgente video a un dispositivo di visualizzazione, come il monitor di un computer. Il relativo ente di controllo VESA e l'USB-IF hanno pubblicato lo "standard DisplayPort Alt Mode per USB di tipo C", che ne controlla l'utilizzo su USB-C. Lo standard DP Alt Mode consentirà a cavi e connettori USB di tipo C standard di trasmettere i segnali DisplayPort nativi grazie al re-indirizzamento di un massimo di quattro pin SuperSpeed (due coppie TX/RX). È inoltre possibile utilizzare i pin bus secondari di tipo C per il canale AUX di DisplayPort, in genere utilizzato dai dispositivi DisplayPort per trasmettere dati non video aggiuntivi, come ad esempio le informazioni touchscreen o audio.

Specifica cavo USB-C

Il connettore USB-C può essere utilizzato con un cavo passante diretto tradizionale; vi è anche una specifica per un cavo USB di tipo C completo, ovvero un cavo attivo contrassegnato elettronicamente che contiene un chip con funzione ID basato sul canale dati di configurazione e VDM dalla specifica USB Power Delivery 2.0.

I dispositivi USB di tipo C supportano anche correnti elettriche di 1,5 A e 3,0 A su bus di alimentazione da 5 V in aggiunta alla linea di base di 900 mA; i dispositivi possono negoziare l'aumento di corrente USB attraverso la linea di configurazione oppure supportare la specifica Power Delivery.

Progettazione di sistema USB

Sono necessari molti componenti diversi per realizzare un progetto USB di tipo C efficiente, resistente e completamente compatibile, come illustrato nella Figura 3. Di seguito sono riportati alcuni dei blocchi:

Interruttori di carico: isolano automaticamente il sistema da una fonte difettosa di carico. Cercare caratteristiche aggiuntive come protezione da sotto/sovra-tensione, protezione da inversione di corrente, protezione da temperatura eccessiva e limiti di corrente programmabili.

USB PD PHY: se il sistema in uso è conforme anche alle specifiche USB Power Delivery, è necessaria una combinazione di controller e responder protocolli per stabilire la connessione e fornire alimentazione.

Microcontroller US PD: la funzionalità di tipo C richiede un processo decisionale complesso, pertanto sono necessari microcontroller e firmware speciali.

Interruttori ad alte prestazioni: forniscono una funzione per multiplare e de-multiplare i segnali, reindirizzando i segnali trasmessi alle stesse porte di connessione o a porte diverse. Queste funzioni possono essere combinate in un interruttore cross-point per supportare le funzioni della modalità alternata.

Condizionatori di segnale: rigenerano il segnale USB, rimuovono la distorsione, estendono la trasmissione dei canali e riducono il BER (Bit Error Rate, rapporto di errore dei bit).

Protezione interfaccia: assicura protezione ESD, insieme a filtri della modalità comune che contribuiscono a eliminare le interferenze delle tecnologie wireless, quali GSM, LTE e Wi-Fi.

Figura 3: soluzione di sistema per il connettore USB di tipo C. (Fonte: NXP)

Partnership tra Arrow e NXP

Arrow Electronics è un marchio leader nella distribuzione con un fatturato nel 2014 pari a 22,8 miliardi di dollari. Presente nella lista delle prime 150 aziende di Fortune, con 17.000 dipendenti e una rete globale costituita da 460 sedi in 58 paesi, Arrow propone soluzioni tecnologiche ai clienti in tutto il mondo e offre esperienza e servizi specializzati per tutto il ciclo di vita dei prodotti.

Arrow è esperto nel portare tecnologia sul mercato, con eventi speciali, forum tecnologici, schede personalizzate e molto altro per aiutare i clienti a familiarizzare con tecnologie rivoluzionarie, come USB-C. Ma Arrow va ben oltre, combinando la tecnologia di più fornitori per creare soluzioni complete, che consentono ai clienti di raggiungere il mercato più velocemente.

Essendo da lungo tempo leader nel settore dei sistemi USB, NXP è stata una parte fondamentale del team di definizione di USB-C e vanta la gamma più completa di prodotti e soluzioni di sistema per questo nuovo entusiasmante mercato. I prodotti NXP per USB-C coprono l'intera gamma e comprendono MCU basate su ARM con firmware USB PD, condizionatori di segnale per aumentare le distanze di trasmissione e ridurre il BER (Bit Error Rate, rapporto di errore dei bit), interruttori di potenza a N canali che isolano automaticamente un sistema da un carico o una fonte difettosa, nonché il nuovo PUSB3TB6, un piccolissimo dispositivo di protezione da scariche elettrostatiche (ESD) progettato per proteggere sei linee dati ad altissima velocità.

Considerando questa profonda e vasta esperienza, è naturale che Arrow e NXP collaborino per rendere la transizione a USB-C più rapida e indolore possibile. I dettagli devono ancora essere finalizzati, ma nel prossimo futuro saranno disponibili soluzioni USB-C di NXP-Arrow uniche.

Conclusione

USB-C, USB 3.1 e USB PD insieme rappresentano la soluzione futura per l'USB. Gli aspetti innovativi del sistema completo, tra cui il connettore reversibile, la maggiore velocità e il nuovo formato PD, certamente introducono sfide progettuali specifiche, oltre a nuovi requisiti per la protezione dei segnali e per garantire elevate prestazioni in tutte le condizioni.

A differenza di alcuni altri standard che promettevano molto per poi svanire nel nulla, in questo caso la domanda non è se USB-C sarà adottato, ma piuttosto quanto velocemente. I nuovi prodotti sono già nei negozi. L'unica domanda da porsi è quanto tempo trascorrerà prima che diventi l'unico standard adottato.