Dlaczego USB ma Vcc = 5 V, a wysoki = 3,3 V?

Zastanawiam się nad dodaniem obsługi USB do mojego urządzenia za pomocą V-USB. Z tego, co tam czytałem i na innych stronach, USB wydaje się mieć jedynie 3,3 V jako wysoki poziom na pinach danych, podczas gdy napięcie dostarczane przez USB wynosi 5 V.

Jaki jest tego powód? Wydaje mi się, że komplikuje to wszystko, ponieważ w ten sposób muszę pracować z wieloma napięciami na płycie lub całkowicie obniżyć napięcie Vcc do 3,3 V.

Linie danych na niskiej prędkości USB mają dla nadajnika różnicowe napięcie sygnału o następującej charakterystyce:

W urządzeniach o niskiej i pełnej prędkości różnicowy „1” jest przesyłany przez pociągnięcie D + powyżej 2,8 V za pomocą rezystora 15 kiloomów naciągniętego na masę i D- poniżej 0,3 V za pomocą rezystora 1,5 kilooma naciągniętego na 3,6 V. Z drugiej strony różnica „0” to D- większa niż 2,8 V i D + mniejsza niż 0,3 V z tymi samymi odpowiednimi rezystorami obniżającymi / podnoszącymi.

A dla odbiornika specyfikacja to: -

Odbiornik definiuje różnicę „1” jako D + 200 mV większą niż D- i różnicę „0” jako D + 200 mV mniejszą niż D-.

Informacje zaczerpnięte stąd i zauważają, że tam, gdzie jest napisane 3V6, w rzeczywistości oznacza 3V3.

W przypadku szybkich systemów USB poziomy napięcia są mniejsze:

Jak zapewne można stwierdzić, poziomy logiki transmisji nie mają tak naprawdę nic wspólnego z systemami logicznymi 5 V lub 3 V3. Zasilanie jest zwykłym zasilaniem, które sprawia, że ​​kompatybilność z systemami 5V i 3V3 jest dość łatwa.

Wyższe napięcie umożliwia kompensację spadku napięcia w urządzeniu. Jeśli USB miał 3,3 V, to jeśli miałeś długi kabel i słabe złącza z 0,5 V spadku, urządzenie będzie działało tylko przy 2,8 V. Jeśli napięcie wynosi 5 V, nadal masz do pracy 4,5 V i to wystarczy, aby uruchomić regulator napięcia LDO.

Napięcie 5 V na pinach zasilania to tylko zasilanie dla urządzenia, które potrzebuje zasilania. W momencie wprowadzenia USB powszechne były urządzenia 5 V i 3,3 V. Celem było wsparcie obu systemów. Istnieją (co najmniej) dwie zalety zastosowania 5 V jako napięcia zasilania zamiast 3,3 V:

• W przypadku urządzeń, które wymagają większej mocy (np. Zewnętrzny dysk twardy), użycie wyższego napięcia przy tym samym prądzie zasilającym daje większą moc. Wykorzystanie 3,3 V jako napięcia zasilania i zwiększenie prądu nie byłoby równie dobre, ponieważ do transmisji wymagałby grubszego drutu.
• W przypadku urządzenia o niskiej mocy 3,3 V, znacznie łatwiej, taniej i wydajniej jest regulować 3,3 V z 5 V za pomocą prostego LDO niż odwrotnie. Ten ostatni wymagałby bardziej złożonego konwertera impulsowego.

Obudowa dla pinów danych służy również do obsługi zarówno urządzeń 3,3 V, jak i 5 V tak prosto, jak to możliwe. Wejście / wyjście urządzenia 5 V można zaprojektować tak, aby interpretowało i generowało maks. 3,3 V. jako wysoki poziom. Dziesięcioletni standard TTL wymagał już tylko 2,4 V jako wysokiego poziomu, więc teoretycznie są one zgodne z 3,3 V (jako wejście).

Natomiast gdyby magistrala danych została wybrana do pracy na poziomach 5 V, spowodowałoby to problemy dla urządzeń 3,3 V. Chociaż wejście można łatwo dostosować do tolerancji 5 V, na wyjściu nie można wyprowadzić napięcia 5 V przy użyciu pojedynczego napięcia zasilania. Wymaga przełącznika poziomu (wbudowanego lub zewnętrznego) i obu napięć zasilania. Jest to zdecydowanie bardziej skomplikowane niż poprzednie, szczególnie w przypadku dwukierunkowej magistrali, takiej jak USB.

Podstawowym czynnikiem przy określaniu poziomów napięcia dla szyny różnicowej jest zużycie energii. Im wyższe napięcie / szybkość transmisji, tym wyższe zużycie energii (powinno to być oczywiste dla czytelnika). W szczególności zużycie energii jest zwiększone, gdy masz bardzo wysokie sygnały prędkości lub wiele punktów obciążenia. Jeśli pomyślisz o tym samym problemie w innym kierunku, wyższy poziom napięcia będzie trudniejszy do osiągnięcia z perspektywy kierowcy, co ograniczy prędkość transmisji. Tryb jazdy bieżącej (zapewniający prędkość) stosowany w wielu nowoczesnych autobusach, w tym USB, pozwala na niższe wahania napięcia na liniach danych.

Z drugiej strony, odbicia lub niedoskonałości sygnalizacyjne spowodują przeregulowanie / niedopasowanie. Jeśli na magistrali znajduje się już samoistnie wysokie napięcie, przejściowe (i wyższej mocy) stany przejściowe mogą nie być tolerowane przez urządzenie. Ta moc również idzie na marne. Skrajnym przypadkiem tego zjawiska jest odłączenie anteny od nadajnika RF. Jeśli masz wystarczającą moc w nadajniku, narazisz radio na niebezpieczeństwo. Możesz wziąć pod uwagę także inne czynniki, takie jak EMI. Co powiesz na wydzielanie ciepła na zakończenie? Dla danego Z0 więcej lotności, więcej ciepła.

Dlatego USB o niskiej / pełnej prędkości wykorzystuje 3,3 V, USB 2.0, a później nawet jeszcze niższy 800/400 mv. Zwykle chcemy zastosować najniższe napięcie, które ma sens dla konkretnego interfejsu. Przypominamy, że wiele szybkich interfejsów (takich jak ethernet, can, hdmi, pci, lvds i wiele innych) wykorzystuje sygnały niskiego napięcia na tym samym poziomie.

Innym powodem może być pewność, że połączenie działa poprawnie. Większy zasięg ma większą moc przeciw szumowi (ponieważ potrzebuje szumu o wyższym napięciu, aby zmienić stan bitu).