Конспект
Теория. Электрические цепи. Создание платы.

Схемы устройств
Принципиальные схемы.

Радиодетали
Резисторы. Конденсаторы. Микросхемы. Разъемы.

Инструменты
Материалы и инструменты, необходимые для работы.


Распиновка USB разъемов

Немного истории появления USB

Разработка универсальной последовательной шины или USB началась в 1994 году американским инженером индийского происхождения компании Intel Аджай Бхаттом и руководимым им подразделением из специалистов ведущих компьютерных компаний под названием USB-IF (USB Implementers Forum, Inc). В компанию разработчиков порта вошли представители Intel, Compaq, Microsoft, Apple, LSI и Hewlett-Packard. Перед разработчиками стояла задача изобрести универсальный для большинства устройств порт, работающий по принципу Plug&Play (Соедини и Играй), когда устройство после подключения к компьютеру либо начинало работать сразу, либо запускалось после установки необходимого программного обеспечения (драйверов). Новый принцип должен заменить LPT и COM порт, при этом скорость передачи данных должна быть не ниже 115 кбит/с. Кроме того, порт должен был быть параллельным, для организации подключения к нему нескольких источников, а так же позволять использовать подключение устройств на «горячую» без выключения или перезагрузки ПЭВМ.

Первый непромышленный образец USB порта под кодовым индексом 1.0 с возможностью передачи данных до 12 мбит/с. был представлен в конце 1995 – начале 1996 годов. В середине 1998 года порт был доработан автоматическим поддержанием скорости для стабильного соединения и мог работать на скорости 1,5 мбит/с. Его модификация стала USB 1.1. Начиная с середины 1997 года, были выпущены первые материнские платы и устройства с этим разъемом. В 2000 году появился USB 2.0, поддерживающий скорость 480 мбит/сек. Основной принцип разработки – возможность подключения к порту старых устройств на основе USB 1.1. В это же время появляется первая флешка на 8 мегабайт под этот порт. 2008 год с доработками контроллера USB по скорости и мощности ознаменовался выходом 3-й версии порта, с поддержкой передачи данных на скорости до 4,8 Гбит/сек.

Основные понятия и сокращения, применяемые при распиновке USB разъемов

VCC (Voltage at the Common Collector) или Vbus – контакт положительного потенциала источника питания. Для USB устройств составляет +5 Вольт. В радиоэлектрических схемах данная аббревиатура соответствует напряжению питания биполярных NPN и PNP транзисторов.

GND (Ground) или GND_DRAIN – минусовой контакт питания. В аппаратуре (в том числе и материнских платах) соединен с корпусом для защиты от статического электричества и источника внешних электромагнитных помех.

D- (Data -) - информационный контакт с нулевым потенциалом, относительно которого происходит передача данных.

D+ (Data +) – информационный контакт с логической «1», необходимый для передачи данных от хоста (ПЭВМ) к устройству и наоборот. Физически, процесс представляет собой передачу положительных прямоугольных импульсов разной скважности и амплитудой +5 Вольт.

Male – штекер разъема USB, в народе именуемый, как «папа».

Female – гнездо разъема USB или «мама».

Series A, Series B, mini USB, micro-A, micro-B, USB 3.0 – различные модификации разъемов USB устройств.

RX (receive) – прием данных.

TX (transmit) – передача данных.

-StdA_SSRX – отрицательный контакт для приема данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.

+StdA_SSRX – положительный контакт для приема данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.

-StdA_SSTX – отрицательный контакт для передачи данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.

+StdA_SSTX – положительный контакт для передачи данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.

DPWR – разъем дополнительного питания для устройств USB 3.0.

Распиновка USB разъема

Для спецификаций 1.x и 2.0 распиновкаUSB разъема идентична.

Как видим из рисунка на 1 и 4 ноге присутствует напряжение питания периферии подключаемого устройства, а по контактам 2 и 3 происходит передача информационных данных. В случае использования пятиконтакного разъема micro-USB, то следует руководствоваться следующим рисунком.

Как видим, использование 4 вывода в стандартной спецификации не предусмотрено. Однако, иногда 4 контакт применяется для подачи положительного питания на устройство. Чаще всего, это энергоемкие потребители с током, стремящимся к предельно допустимому для разъема USB 2.0, о чем будет сказано ниже. Согласно стандарту, каждый провод имеет свой цвет. Так плюсовой контакт питания соединен красным проводом, минусовой – черным, сигнал data- идет по белому, а положительный информационный сигнал data+ по зеленому. Кроме того, для защиты устройств от внешнего влияния качественные кабеля используют экранирование металлических частей разъемов посредством замыкания внешней металлизированной оплетки кабеля на корпус. Другими словами, экран кабеля может соединяться с минусом питания разъема (но это условие не обязательное). Использование экрана позволяет улучшить стабильность передачи данных, увеличить скорость и применить большую длину кабеля к устройству.

В случае применения micro-USB – OTG кабеля к планшету, 4-й неиспользуемый контакт соединяется с минусовым проводом. Схема кабеля наглядно представлена рисунком с 4pda.ru. В данном случае категорически запрещено подавать положительное питание на 4-й контакт разъема, что влечет за собой выход из строя либо контроллера USB порта, либо поломку контроллера OTG!

Что касается спецификации USB 2.0 разъема, то ниже представлена таблица основных характеристик.

Режим Скорость обмена Максимальный ток Амплитуда импульсов по шине Data+ и Data-
Низкоскоростной режим с малым потреблением тока (low speed) 1,5 Mb/s(192 KB/s) 100 mA 4.40V – 5.25V
Высокоскоростной режим с малым потреблением тока (Full speed) 12 Mb/s (1,5 MB/s) 100 mA 4.40V – 5.25V
Высокоскоростной режим с большим потреблением тока (High speed) 480 Mb/s (60 MB/s) 500 mA 4.75V – 5.25V
Значение тока в автономном режиме, mA 100 mA
Работа на холостом ходу (без подключения устройств) 500uA

Так же спецификация указывает, что для фильтрации полезного сигнала максимальная емкость между информационной шиной Data и отрицательным контактом питания (массой) допускается применение емкости номиналом до 10uF (минимум 1uF). Больше номинал конденсатора использовать не рекомендуется, поскольку на скоростях, близких к максимальным, происходит затягивание фронтов импульсов, что приводит к потере скоростных характеристик USB порта.

При подключении внешних разъемов USB портов к материнской плате стоит особое внимание уделить к правильности соединения проводов, поскольку не так страшно перепутать информационные сигналы Data – и Data+, сколько опасно поменять местами питающие провода. В этом случае из опыта ремонта электронного оборудования чаще приходит в негодность подключаемое устройство! Схему соединений необходимо смотреть в инструкции к материнской плате.

Остается добавить, что для реализации кабелей подключаемых устройств разъема USB 2.0 утвержден стандарт сечений каждого провода в шнуре.

AWG Максимальная длина Диаметр, мм. Сечение , мм2
28 0,81 м. 0,321 0,081
26 1,31 м. 0,405 0,128
24 2,08 м. 0,511 0,205
22 3,33 м. 0,644 0,325
20 5,00 м. 0,812 0,517

В качестве AWG выступает американская система маркировки сечения провода.

Теперь перейдем к рассмотрению порта USB 3.0

Вторым названием USB 3.0 порта есть USB Super Speed, за счет возросшей скорости передачи данных до 5 Гб/сек. Для увеличения скоростных показателей инженеры применили полнодуплексную (двупроводную) передачу, как отправленных данных, так и принимаемых. За счет этого в разъеме появилось 4 дополнительных контакта -/+ StdA_SSRX и -/+StdA_SSTX. Кроме того, возросшие скорости потребовали применения нового типа контроллера с большим энергопотреблением, что привело к необходимости использования дополнительных контактов питания в USB 3.0 разъеме (DPWR и DGND). Новый тип разъема стал именоваться, как USB Powered B. В отступлении скажем, что первые китайские флешки под этот разъем были выполнены в корпусах без учета тепловых характеристик их контроллеров и, как результат, сильно грелись и выходили из строя.

Практическая реализация USB 3.0 порта позволила достигнуть скорости обмена данными на уровне 380Мбайт/cек. Для сравнения порт SATA II (подключение жестких дисков) способен передавать данные на скорости 250Мбайт/cек. Применение дополнительного питания позволило использовать на гнезде устройства с максимальным потреблением тока до 900mA. Так может подключиться либо одно устройство, либо до 6 гаджетов с потреблением по 150mA. При этом минимальное напряжение работы подключаемого устройства может снижаться до 4V. В следствие увеличения мощности разъема инженерам пришлось ограничить длину USB 3.0 кабеля до 3м., что является несомненным минусом данного порта. Ниже мы приводим стандартную спецификацию порта USB 3.0

Режим Скорость обмена Максимальный ток Амплитуда импульсов по шине Data+ и Data-
Высокоскоростной режим (Super speed) 4,8 Gb/s (600 MB/s) 900 mA 4.00V – 5.25V
Значение тока в автономном режиме, mA150 mA
Работа на холостом ходу (без подключения устройств) 2.5mA

Распиновка USB 3.0 разъема выглядит следующим образом:

№ конт. Назначение Цвет провода
1 Vbus Красный
2 D- Белый
3 D+ Зеленый
4 GND Черный
5 StdA_SSTX- Голубой
6 StdA_SSTX+ Желтый
7 GND_DRAIN Масса
8 StdA_SSRX- Сиреневый
9 StdA_SSRX+ Оранжевый
Shell Экранирование Экран

№ конт. Назначение Цвет провода
1 Vbus Красный
2 D- Белый
3 D+ Зеленый
4 GND Черный
5 StdA_SSTX- Сиреневый
6 StdA_SSTX+ Желтый
7 GND_DRAIN Масса
8 StdA_SSRX- Сиреневый
9 StdA_SSRX+ Оранжевый
10 DPWR Красный
Shell Экранирование Экран
11 ЭGND_D Масса питания

№ конт. Назначение Цвет провода
1 Vbus Красный
2 D- Белый
3 D+ Зеленый
4 ID Не используется
5 GND Черный
6 StdA_SSTX- Голубой
7 StdA_SSTX+ Желтый
8 GND_D Масса питания
9 StdA_SSRX- Сиреневый
10 StdA_SSRX+ Оранжевый
Shell Экранирование Экран

Полной программной поддержкой спецификации USB 3.0 обладает операционная система начиная с Windows 8, MacBook Air и MacBook Pro последних версий и Linux с версии ядра 2.6.31. За счет применения в разъеме USB 3.0 Powered-B двух дополнительных контактов питания, возможно подключение устройств с нагрузочной способностью до 1А.