Распиновка разъема USB

С развитием технологии передачи данных появилось несколько видов порта USB. Рассмотрим, чем они отличаются и какая у каждого из разъемов USB распиновка.

USB — это последовательная шина передачи данных. Обмен данными идет между головным устройством и управляемым. В роли головного устройства обычно выступает компьютер.

Так как интерфейс Universal Serial Bus имеет шину питания, то он используется и для зарядки мобильных устройств, таких как планшеты, смартфоны и др.

Самая распространенная версия 2.0 использует 4 провода: два для питания (+ 5В и GND) и два для передачи данных (обозначены как D + и D- в распиновке). Два провода данных обычно идут в виде витой пары. Сам кабель имеет экран, подключенный к заземлению на стороне хоста.

Использование витых пар снижает влияние внешних помех.

В дешевых кабелях может и не быть экранирующей оплетки и провода данных без витой пары применяются. Это все сказывается на качестве передачи информации.

Виды разъемов

Интерфейс USB для подключений устройств использует разъем. Разъем представлен розеточной (гнездо) и вилочной (штекер) частью.

Кабели поставляются с одним из пяти основных видов разъемов USB:

• A,
• B,
• mini B,
• micro B,
• C.

Кабель имеет всегда два разъема на своих концах, это “USB-A” и “USB-B”. «A» всегда подключается к Host, а «B» — к управляемому устройству (slave).

Встречаются редко кабели с разъемом «тип А» с двух сторон. Но их использовать для соединения двух пк нельзя. Как уже сказано, при использовании интерфейса Universal Serial Bus есть главное устройство Master и до 127 устройств Slave. Соединять устройства Master (host) между собой нельзя. Они выдают +5В каждый по своей линии и может произойти авария.

Распиновка USB типа А

Разъем-USB 2.0 тип A наиболее распространенный и знакомый формат. Штекер USB-A плоский и прямоугольный, он больше, чем у других типов, и удерживается на месте исключительно за счет трения, и это позволяет очень легко подключать его и отключать.

Помимо распиновки разъемов USB, в таблице также указаны цвета проводов, используемых в кабелях.

Контакты питания и заземления необходимо подключить к устройству перед подключением сигнальных линий. Конструктивно штекер именно так и устроен. Контакты линий данных выполнены меньшей длины, чем контакты питания (см. рис. ниже). А корпус разъема и есть «земля» и он подключается первым.

Внешний вид разъема USB типа B

Второй тип порта, известный как тип B, часто использовался для небольших периферийных устройств в версии 2.0.

Штекер USB-2.0 тип B имеет почти квадратную форму, но имеет небольшой скос на углах, на верхних концах разъема.

Подобно разъему «USB-A» штекер типа B использует трение, чтобы удержаться на месте.

Mini и Micro порты

Разъем USB Mini используется во многих камерах и мобильных телефонах, где пространство ограничено. Доступны две версии: mini-A и mini-B.

Эти мини-разъемы, как Mini-A, так и Mini-B, обеспечивают очень компактные возможности подключения, а также могут служить надежным соединительным элементом. Штекеры Mini-A и Mini-B имеют размер примерно 3 на 7 мм.

С уменьшением размеров девайсов было разработано решение для разъемов еще меньшего размера.

Так появился USB-micro, снова доступны версии Micro-A и Micro-B.

Порт Micro принят во многих организациях в качестве стандарта. Open Mobile Terminal Platform, OMTP, одобрила Micro-USB в качестве стандартного разъема для данных и питания на мобильном устройстве.

Также Международный союз электросвязи, ITU, объявил, что он применил micro-USB для своего универсального решения для зарядки, тем самым позволяет всем зарядным устройствам использовать один и тот же разъем и стандартизовать одно зарядное устройство, которое можно использовать для нескольких типов оборудования, например, телефонов от разных производителей.

Распиновка Mini и Micro немного отличаются: стандартный USB использует 4 контакта, а Mini и Micro используют 5 контактов в разъеме. Дополнительный штифт используется как индикатор наличия подключенного устройства.

Стандартный микроразъем доступен только до стандарта USB второго поколения.

Микро-разъем входит в стандартную комплектацию большинства мобильных телефонов и многих других портативных устройств, хотя разъемы USB-C вытесняют их в устройствах новейшего поколения.

Самый распространенный вид кабеля — от “USB micro-B” до стандартного “USB-A”, который обычно используется в мобильных зарядных устройствах.

Стандартный микро штекер имеет пять контактов в более старых поколениях и десять контактов в поколении 3.0.

Линии передачи данных

Для USB 1 и 2 используется четырехпроводная система. Кабели имеют такие провода: питание, землю, а затем витую пару для дифференциальной передачи данных.

Линии обозначены как Data+, D+ и Data-, D-.

Для юсб 3 были введены новые линии. Для каждого порта есть TX1+/TX1- и TX2+/TX2-, чтобы передать данные, а для приема данных линии — RX1+/RX1- и RX2+/RX2-.

Контакты USB OTG

Четвертый контакт (определение режима) также обычно называют USB «On-the-Go» или просто «OTG». Этот вывод позволяет устройствам переключаться между ролями хоста и периферии.

В смартфоне, например, соединение может позволить телефону работать как запоминающее устройство большой емкости при подключении к компьютеру. Или как хост для чтения данных со съемного запоминающего устройства, подключенного к телефону.

Этот вывод OTG также позволяет устройствам «решать», какие устройства будут получать питание от другого — обычно хост будет подавать питание на периферийное устр-во, хотя в некоторых случаях роли могут быть повторно согласованы.

3.0 и 3.1: SuperSpeed

USB используется во многих областях, и для многих приложений, где важна скорость.

USB-3.0 был запущен в 2008 году и обеспечивал скорость передачи данных до 5 Гбит/с и также назывался Superspeed.

3.0 — это третья основная версия стандарта универсальной последовательной шины для взаимодействия компьютеров и электронных устройств. 3.0 сочетает в себе шину 2.0 и новую шину SuperSpeed со скоростью передачи данных до 5,0 Гбит/с, что примерно в десять раз быстрее, чем стандарт 2.0. Разъемы юсб 3.0 обычно отличаются от аналогов 2.0 синим цветом розеток и вилок.

USB-3.1, также называемый Superspeed+, был запущен в июле 2013 года и обеспечивал возможность передачи данных со скоростью до 10 Гбит/с (1,25 ГБ/с, в два раза быстрее, чем 3.0).

В дополнение к различным разъемам, используемым на кабелях, устройствах и т. д. 3.0 кабель можно отличить от своих аналогов 2.0 по синему цвету портов или инициалам SS на штекерах.

Для USB-3.0 были введены новые разъемы.

Что касается фактических подключений в портах 3 версии, оригинальные подключения D+ и D-, а также питание и земля остаются, но для передачи данных SuperSpeed используются новые драйверы и приемники для витой пары. Они помечены как StdA_SSRX + и StdA_SSRX- для принимающей стороны и StdA_SSTX + и StdA_SSTX- для передающей стороны.

Что такое USB-C

USB-C или Type-C — это система с 24-контактным разъемом, которая была представлена в августе 2014 года для обеспечения улучшенных возможностей подключения и более компактного и надежного разъема.

Разъем-USB Type-C — это новый стандартный порт меньшего размера для Universal Serial Bus .

Другое преимущество разъема C заключается в том, что это единый стандарт, который можно использовать для всех устройств. Поэтому количество различных портов должно уменьшиться по мере того, как C становится все более распространенным.

Он может поддерживать множество различных протоколов, используя так называемые альтернативные режимы. Это позволяет иметь адаптеры, которые могут выводить HDMI, VGA, DisplayPort или другие типы подключений через один порт USB.

Распиновка и функции разъема USB C

Разъем Type-C имеет гораздо большее количество линий, которые доступны для обеспечения расширенных возможностей.

Порты имеют 24 контакта, и, в отличие от USB1 и USB2, разъем можно подключать любой стороной вверх.

• Разъем C включает два набора дифференциальных пар RX и два TX для передающей стороны. На схеме разъемов они показаны как RX ± 1 и RX ± 2 для приемной стороны и TX ± 1 и TX ± 2 для передачи. Два набора необходимы, чтобы соединитель можно было переворачивать. Для достижения требуемых характеристик передачи включен мультиплексор, который правильно направляет данные в используемые дифференциальные пары в кабеле.
• CC контакты служат для конфигурации канала, и эти линии выполняют многие функции конфигурации, необходимые для порта и кабеля. Они включают обнаружение присоединение или отсоединение кабеля, определение ориентации розетки или штекера. Эти линии также используются для связи и настройки, необходимых для USB-PD.
• Линии D+ и D- обеспечивают дифференциальные пары данных для подключения USB 2. Можно видеть, что внутри разъема есть два набора контактов, которые используются для того, чтобы разъем можно было переворачивать, то есть вставлять в любом направлении вверх.
• SBU1 и SBU2: эти две линии используются для альтернативного режима для таких приложений, как использование порта USB-C / USB3 / 4 для управления HDMI или другими интерфейсами. Порт переконфигурируется, чтобы действовать так же, как HDMI или другой интерфейс.
• VBUS: напряжение VBUS обычно составляет 5 В, что идеально для небольших устройств, таких как смартфоны и другие небольшие перезаряжаемые устройства. Но USB-C может заряжать более крупные устройства, включая ноутбуки, и для них требуется большее напряжение. Для этого стандарт позволяет удаленным устройствам согласовывать с хостом необходимое напряжение VBUS. USB Power Delivery позволяет VBUS подавать напряжение до 20 В. Максимальный ток также может быть увеличен до 5 А, что дает общую мощность 100 Вт.
• VCONN: для обеспечения очень высоких скоростей и высоких уровней мощности, используемых для USB 3 и 4, могут потребоваться специализированные кабели, в которые встроены микросхемы: они могут включать микросхему драйвера. Питание для этих внутрикабельных микросхем обеспечивается по линии VCONN.

USB4

29 августа 2019 года USB-IF представила спецификацию USB4. Новый стандарт обеспечивает большую гибкость и функциональность. Он основан на спецификации протокола Thunderbolt 3 и поддерживает скорость передачи данных до 40 Гбит/с. Он совместим с Thunderbolt 3, а также обратно совместим с версиями 3.2 и 2.0.

USB 4 будет использовать разъем типа USB-C, так как он может соответствовать скорости и режиму работы юсб 4. Это означает, что любой, у кого в настоящее время есть USB-3 с разъемом Type-C, сможет использовать порты USB 4, хотя, чтобы использовать полную скорость, необходимо иметь все порты USB4 и устройства.

Зарядное

Из-за возможности подачи питания на предварительные устройства USB часто используется в качестве зарядного устройства для портативной техники.

Чтобы распознать зарядку аккумулятора, специальный порт зарядки устанавливает сопротивление между клеммами D + и D− не более 200 Ом.

Простое зарядное устройство должно включать резистор 200 Ом между проводами D+ и D- (иногда достаточно короткого замыкания D+ и D-). В этом случае устройство не будет пытаться передавать или принимать данные, но может потреблять до 1,8А, если источник питания может это обеспечить.

Напряжение, подаваемое хостом или портами концентратора с питанием, составляет от 4,75В до 5,25В. Максимальное падение напряжения для концентраторов с питанием от шины составляет 0,35В от хоста или концентратора до выходного порта концентратора. Все концентраторы и функции должны иметь возможность отправлять данные конфигурации при напряжении 4,4В, но при этом напряжении должны работать только маломощные функции. Нормальное рабочее напряжение для функций составляет минимум 4,75В.

Экран следует подключать только к заземлению на хосте. Ни одно устройство не должно подключать экран к земле.

Устройства определяют тип зарядного устройства и допустимый ток зарядки, по потенциалам на контактах D+ и D-  разъема USB. Поэтому подачи только одного напряжения +5V на устройство, для начала процесса зарядки недостаточно, они просто не поймут, что подключены к ЗУ и откажутся от зарядки. Таким образом, результат использования любой +5V вольтовой зарядки с разъемом USB, зависит от состояния ее контактов D+ и D-.

Согласно этому условию присутствующие на рынке зарядные устройства, можно разделить на следующие категории:

1. Обычные подходящие для большинства гаджетов, где для потребления номинального зарядного тока заявленного зарядным устройством, достаточно закоротить между собой линии D+ и D-.
2. Те, у которых контакты DATA+ и DATA- висят в воздухе, в связи, с чем подключенное к ним устройство решает, что это USB-хаб или компьютер и ограничивает ток потребления на уровне около 480 — 500mA, что сказывается на скорости заряда либо заряд под нагрузкой вообще не происходит.
3. И для «Apple» устройств.

• напряжение на контакте D- около 2,0V, а на контакте D+ около 2,7V (iPhone) — ток потребления около 1А,
• напряжение на контакте D- около 2,7V, а на контакте D+ около 2,0V (iPad) — ток потребления около 2А.

Apple использует опорные напряжения, +2,0V и +2,7V или (+2,0), и по наличию этих потенциалов на контактах шины данных в разъёме USB их гаджеты iPad & iPhone распознают оригинальное зарядное устройство.

Зарядное устройство iPhone, зарядный ток от 0.5 до 1А.

• VCC +5V,
• USB_D- (+1.9V),
• USB_D+ (+2.6V),
• GND — общий провод («земля» источника питания).

Такое ЗУ на контактах 2 (D-) и 3 (D+) может иметь также и одинаковое напряжение +2,0V. 

Зарядное устройство iPad, зарядный ток до 2.1А.

•    VCC +5V,
•    USB_D- (+2,7V),
•    USB_D+ (+2,0V),
•    GND — общий провод («земля» источника питания).

Нужные напряжения получаем с помощью резистивного делителя, распаивая контакты DATA+ и DATA- по одной из приведенных ниже схем:

Для устройств «Samsung» на перемычку подается половина напряжения питания, то есть +2,5V.

Если зарядка “Apple” устройств не планируется, и при этом вы уверены в том, что ваше зарядное устройство способно в течение длительного времени безболезненно отдавать ток порядка 800-900мА, то для большинства гаджетов достаточно просто закоротить между собой линии D+ и D-.

USB PD

Подача энергии — ключевая функция системы USB в наши дни. Обычной практикой является подключение устройства для зарядки через USB-кабель. Первоначально он обеспечивал 5 вольт, и этого было достаточно для зарядки многих устройств, но поскольку USB-C используется для многих ноутбуков, требуется гораздо более сложный механизм подачи питания Universal Serial Bus . Это достигается с помощью схемы PD, Power Delivery.

Разъем Type-C был разработан с учетом требований спецификации USB-PD. Многие устройства, включая смартфоны, планшеты и другие мобильные устройства, используют свое USB-соединение для получения энергии для зарядки. Однако старые разъемы были ограничены по пропускной способности. Подключение 2.0 обеспечивает мощность до 2,5 Вт. Этого достаточно для большинства небольших устройств, но не для более крупных, таких как ноутбуки.

Спецификация Power Delivery обеспечивает уровень мощности до 100 Вт.

Питание также может подаваться во время передачи данных, а это означает, что возможна параллельная работа обеих возможностей.

Чтобы обеспечить доставку большей мощности и более высоких напряжений, необходимых для ноутбуков, используется протокол, называемый USB Power Delivery. PD использует однопроводную связь по линии CC. Первоначально приемник питания (то есть объект, требующий питания через USB-C) отправляет запросы источнику, и в результате источник регулирует напряжение VBUS по мере необходимости.