Prise USB type A / B: l'épine dorsale de la connectivité haute vitesse

Introduction

Dans l'écosystème USB, bien que l'USB type - C soit robuste grâce à sa puissante prise mâle - inverseur et à ses caractéristiques haute vitesse et haute puissance, les prises USB type - A et USB type - B classiques, en particulier les versions prenant en charge les normes USB 3.2 Gen 1 (5 Gbps) et Gen 2 (10 Gbps), restent un pilier indispensable pour connecter des PC, des périphériques, des appareils industriels, des appareils audio professionnels, etc. Ils offrent une connectivité physique fiable, des vitesses de transfert de données considérablement améliorées (par rapport à l'USB 2.0) et restent irremplaçables dans des scénarios d'application spécifiques. Cet article vise à fournir une analyse technique approfondie de la prise USB 3.2 A / B, couvrant des éléments essentiels tels que son principe de fonctionnement, le contrôle du circuit, les paramètres de performance, les domaines d'application et la manière dont elle est installée.

I. distinction entre la définition de base et la version

Forme physique:

Prise de type USB - A: Interface rectangulaire standard, largement présente sur le côté hôte (par exemple, ordinateur, chargeur, concentrateur). La prise USB 3.2 type a ajoute 5 contacts supplémentaires à l'intérieur (à l'arrière des 4 contacts USB 2.0 d'origine) pour prendre en charge les signaux différentiels superspeed à haute vitesse.

Prise de type USB - B: de forme approximativement carrée, avec un petit biseau ou une encoche sur le dessus (conception résistante aux séjours), couramment trouvée à l'extrémité de l'appareil (par exemple, imprimante, scanner, interface audio haut de gamme, boîtier de stockage externe). La prise USB 3.2 type B (standard B ou micro - B superspeed) dispose également de contacts supplémentaires (généralement 5 ou 10 broches) et est plus grande et plus épaisse que la version USB 2.0.

Version du Protocole USB 3.2 (points de différenciation clés):

USB 3.2 Gen 1 (anciennement USB 3.1 Gen 1 / USB 3.0): débit maximal théorique de 5 Gbit / S. C'est le taux pris en charge par les prises USB 3.x de type A / B les plus courantes sur le marché.

USB 3.2 Gen 2 (anciennement USB 3.1 Gen 2): débit maximal théorique de 10 Gbps. La norme doit être prise en charge par les prises, les câbles et les extrémités de l'appareil pour atteindre ce taux. Il y a relativement peu de prises USB - A / B qui prennent en charge 10 Gbps.

USB 3.2 Gen 2X2 (20 Gbit / s): implémenté uniquement via l'interface USB type - C, ce débit n'est pas pris en charge par l'interface physique de type A / B. La spécification USB - If indique clairement que le gen 2X2 nécessite une configuration de broche supplémentaire pour le type - C.

II. Principe de fonctionnement et transmission du signal

Le cœur de l'USB 3.2 réside dans l'introduction d'un bus superspeed indépendant de l'USB 2.0, permettant une communication Full Duplex des données à haute vitesse:

Double Bus en parallèle:

Bus USB 2.0: conserve les voies de signal vbus (alimentation), D +, D - (lignes de données différentielles basse vitesse / pleine vitesse / haute vitesse), GNd (ligne de masse) d'origine pour la compatibilité avec les anciens périphériques, les opérations à basse vitesse (telles que l'énumération des périphériques HID) et la fourniture de l'alimentation de base.

Bus superspeed:

Send Differential pair (sstx +, sstx -): utilisé par l'hôte (type a) pour envoyer des données à haut débit à l'appareil (type b).

Paire différentielle de réception (ssrx +, ssrx -): utilisée par le périphérique (type b) pour envoyer des données à haut débit à l'hôte (type a).

Signalland (GNd - Drain / Shield): fournit une boucle de référence à faible bruit et un blindage pour les signaux différentiels à grande vitesse, essentiels à l'intégrité du signal.

(facultatif) vbus: puissance positive (généralement commune ou sortie indépendante).

(facultatif) signal de configuration: il peut y avoir une implémentation simplifiée de CC (configuration Channel) dans une prise USB 3.2 de type B, mais elle est beaucoup moins complexe que le type - C.

Transmission du signal différentiel:

Le bus superspeed utilise la technologie LVDS (Low Voltage Differential Signaling). Les données sont transmises sous forme de signaux en opposition de phase sur la paire de lignes sstx + / sstx - (ou ssrx + / ssrx -).

La borne de réception détecte la différence de tension de cette paire de lignes pour déterminer l'état logique (0 ou 1). La transmission différentielle est extrêmement résistante aux interférences de bruit de mode commun (par exemple, bruit d'alimentation, interférences électromagnétiques externes), ce qui permet de maintenir l'intégrité du signal à des taux de transmission plus élevés.

Communication Full Duplex:

Les canaux d'émission et de réception indépendants permettent aux hôtes et aux périphériques d'envoyer et de recevoir des données simultanément, améliorant considérablement l'efficacité et le débit globaux des communications.

Iii. Contrôle du circuit

Contrôleur hôte (host Controller):

Situé sur la carte mère de l'ordinateur ou du hub et intégré dans un chipset ou une puce USB Master autonome.

Responsable de la gestion de la pile de protocole USB, de l'énumération des périphériques (identification, configuration), de la planification des transferts de données (Lot, interruption, synchronisation, contrôle des transferts), de la gestion de l'alimentation.

Connectez - vous à la prise USB - a de l'hôte via le câblage de la carte mère.

Contrôleur de périphérique (Device Controller):

Situé à l'intérieur du périphérique USB.

Mettre en œuvre des fonctions spécifiques de l'appareil (telles que le stockage, l'impression, la conversion audio) et communiquer avec l'hôte via le Protocole USB.

Responsable de répondre aux demandes de l'hôte, d'envoyer / recevoir des données, de signaler l'état de l'appareil.

Connectez - vous à la prise USB - B (ou micro - b) de votre appareil.

Transceiver / Phy:

Situé entre l'hôte et le Contrôleur de périphérique et la prise physique.

Est un composant de couche physique clé pour le contrôle du circuit.

Responsable de:

Conditionnement du signal: le signal numérique émis par le Contrôleur est converti en un signal analogique différentiel conforme aux spécifications USB (amplitude de tension, temps de montée / descente, pré - Accentuation) pour être envoyé.

Réception du signal: amplification, égalisation (compensation des pertes de câble), conversion en signal numérique du signal analogique faiblement différentiel reçu par la prise au Contrôleur.

Adaptation de l'impédance: Assurez - vous que l'impédance du signal est continue lors du chargement et du transfert de la ligne de transmission (ligne PCB, connecteur, câble), réduisant ainsi la réflexion du signal.

La haute vitesse de l'USB 3.2 est extrêmement exigeante pour la conception de phy (faible gigue, linéarité élevée).

Gestion de puissance:

Alimentation vbus: l'hôte fournit une alimentation 5V standard à l'appareil via vbus. La spécification USB 3.2 exige que le port hôte fournisse au moins 900 MA (500 ma pour USB 2.0), ce qui prend en charge les périphériques de puissance supérieure (tels que les disques durs mobiles).

Logique de gestion: les contrôleurs et Phy contiennent souvent une gestion complexe de l'état de l'alimentation (par exemple, l'état u0 - U3), qui passe en mode basse consommation lorsqu'il n'y a pas de transmission de données et se réveille rapidement si nécessaire.

Iv. Propriétés électriques

Intégrité du signal (si) Paramètres clés:

Impédance différentielle: 90 Ω ± 10% (valeur cible). Il s'agit d'une exigence essentielle pour garantir la qualité de la transmission de signaux différentiels à grande vitesse, nécessitant un contrôle strict de l'impédance de l'ensemble du trajet, du Contrôleur Phy à la broche de la prise, en passant par le câble.

Impédance à une extrémité: 90 Ω ± 15% (contre GNd - drain).

Perte d'insertion: atténuation du signal lorsqu'il traverse les prises et les câbles. La spécification USB 3.2 impose des exigences strictes en ce qui concerne la perte d'insertion maximale pour des fréquences spécifiques telles que 2,5 GHz pour gen1, 5 GHz pour GEN2, et la perte de la prise elle - même doit être minimisée.

Perte de retour: mesure du degré d'adaptation d'impédance, moins le signal est réfléchi, mieux c'est (plus la valeur négative est élevée, mieux c'est).

Diaphonie: interférence entre lignes de signal adjacentes (diaphonie proximale next / diaphonie distale fext), à minimiser.

Jitter: déviation de la séquence temporelle du signal, y compris la gigue aléatoire et la gigue déterministe. Une gigue trop élevée peut entraîner une augmentation du taux d'erreur de code. La spécification a une exigence de limite supérieure pour la gigue totale (tj).

Paramètres électriques DC:

Résistance de contact: résistance du point de contact de la borne de la prise avec la broche de la fiche, faible exigence (généralement < 30mΩ requis pour un seul point de contact) pour réduire la chute de charge et la génération de chaleur.

Résistance d'isolation: résistance entre les bornes adjacentes, entre les bornes et le boîtier, très exigeante (généralement > 100mΩ @ 500vdc), garantie d'isolation électrique.

Résistance diélectrique (résistance à la tension): haute tension de courte durée (par exemple, 500 VAc / min) pouvant être supportée par les bornes adjacentes, entre les bornes et le boîtier, assurant une isolation sûre.

Power Related:

Tension vbus: nominale 5V, permet une certaine plage (par exemple 4,45v - 5,5v).

Capacité de charge vbus: le port USB 3.2 fournit au moins 900 MA (500 ma pour USB 2.0).

Chute de tension: la chute de tension vbus de l'alimentation principale à l'entrée de l'appareil est soumise aux exigences de la spécification (assurez - vous que la tension à l'extrémité de l'appareil n'est pas inférieure à la tension minimale de fonctionnement).

V. propriétés mécaniques

Conception structurelle:

Terminal (contact): généralement en alliage de cuivre résistant à la corrosion et à haute élasticité (par exemple bronze phosphoreux, cuivre béryllium), la surface est plaquée or (ou couche d'or épaisse) pour garantir une faible résistance de contact, une résistance à l'usure et à l'oxydation. La conception de la structure de l'anche garantit une force normale et une stabilité de contact suffisantes après plusieurs branchements.

Isolant: les plastiques techniques (tels que LCP, PPS, PCT, pa9t) qui résistent aux températures élevées et sont très ignifuges sont généralement utilisés pour assurer l'isolation électrique et la résistance structurelle entre les terminaux.

Boîtier / blindage: boîtier métallique blindé ou boîtier en plastique avec revêtement métallisé, enveloppé autour de la prise, offrant un blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) et une protection mécanique. Les boîtiers ont généralement des pieds de montage ou des clips pour la fixation.

Keying: le profil trapézoïdal caractéristique du type USB - B garantit que la prise ne peut être insérée que dans la bonne direction, évitant ainsi les dommages.

Force de branchement: la force de branchement et de débranchement doit être dans le cadre de la conception (généralement définie par les spécifications ou les exigences du client), garantissant une expérience de branchement fluide et fiable pour l'utilisateur. Ni trop lâche (risque de mauvais contact), ni trop serré (risque de dommages).

Durée de vie mécanique (plug - in Endurance): mesure de la capacité d'une prise de courant à répondre aux exigences de ses propriétés électriques et mécaniques après un nombre spécifié d'opérations de plug - in. La certification USB - If exige des performances élevées après au moins 1500 cycles de branchement. Les prises de qualité industrielle ou de haute qualité peuvent généralement atteindre plus de 5 000 ou même 10 000 cycles.

Force de retenue: la force de retenue de la prise sur la fiche doit être suffisamment grande pour empêcher une chute accidentelle (par exemple, un câble est tiré), mais elle ne doit pas non plus affecter de manière excessive le débranchement normal.

Vi. Paramètres évalués

Tension nominale: entre les bornes du signal, entre les bornes du signal et la masse: généralement notée 30V AC / DC ou plus.

Courant nominal: courant continu maximal à travers les bornes vbus et GNd. Pour les ports USB 3.2 standard, le vbus est généralement évalué à au moins 1,5 a ou plus (pour répondre aux exigences minimales de 900 MA et fournir une marge). Les cotes spécifiques dépendent de la conception de la prise et du scénario d'application (par exemple, l'équipement industriel peut être plus exigeant).

Résistance de contact: valeur maximale nominale (par exemple ≤ 20 mΩ par point de contact).

Résistance d'isolation: minimum évalué (par exemple ≥ 100mΩ).

Plage de température de fonctionnement: la plage typique est de - 25 °C / - 40 °C à + 85 °C. Les produits de qualité industrielle peuvent atteindre - 40 °C à + 105 °C ou plus.

Plage de température de stockage: généralement plus large que la plage de fonctionnement (par exemple - 40 ° C à + 105 ° c).

Vii. Durée de vie (durabilité mécanique)

Définition: désigne le nombre minimum garanti de branchements qu'une prise peut supporter dans les conditions d'essai spécifiées (par exemple, vitesse de branchement spécifique, force) et après ce nombre, ses propriétés critiques (par exemple, résistance de contact, résistance d'isolation, résistance à la tension, apparence) peuvent toujours être conformes aux spécifications.

Exigences Standard: le minimum requis par USB - If pour les produits certifiés est de 1500 cycles de branchement.

Niveau pratique: les prises USB 3.2 A / B de haute qualité sont généralement conçues pour durer entre 5 000 et 10 000 cycles. Les connecteurs de qualité industrielle ou les produits conçus pour une grande fiabilité peuvent atteindre plus de 10 000 cycles.

Facteurs d'influence: Matériau du terminal par rapport à la qualité du placage, conception de la structure de l'anche, lubrification (le cas échéant), vitesse / force de branchement, environnement (poussière, humidité, gaz corrosifs), etc.

Viii. Plage de température

Plage de température de fonctionnement (Operating Temperature Range): plage de température ambiante dans laquelle les prises peuvent fonctionner de manière stable et fiable à leurs propriétés électriques et mécaniques nominales. Gamme commune:

Catégorie grand public / commercial: - 25°C ou - 40°C à + 85°c

Qualité industrielle: - 40°C à + 85°c ou + 105°c (voire plus)

Plage de température de stockage (Storage Temperature Range): plage de température dans laquelle un produit peut être stocké sans dommage permanent. Généralement plus large que la plage de fonctionnement, par example de - 40°C à + 105°c.

Importance: la température affecte directement les propriétés mécaniques du matériau (p. ex., fragilisation / ramollissement du plastique, fluage du métal), la résistance de contact, les propriétés isolantes et la fiabilité des points de soudure. Le choix doit tenir compte de l'environnement d'application final de l'équipement (p. ex., compartiment moteur de voiture, équipement extérieur, environnement industriel à haute température).

Ix. Domaines d'application

Les prises USB 3.2 de type A / B sont largement utilisées dans de nombreux domaines grâce à leur haute vitesse, leur fiabilité, leur standardisation et leur compatibilité étendue:

Ordinateur avec périphérique: interface de panneau avant / arrière de carte mère de PC, interface d'ordinateur portable, interface de Hub USB de moniteur, récepteur de clavier - souris (plusieurs de type a).

Stockage de données: boîtier de disque dur mécanique externe (HDD / SSD), boîtier de disque dur à semi - conducteurs (SSD), périphérique NAS, boîtier de disque dur Multi - disques (Type Micro - B ou b couramment utilisé).

Équipement audio - vidéo: Interface audio haut de gamme (DAC / ADC), microphone USB, console de réglage professionnelle, carte d'acquisition vidéo (par exemple, type B couramment utilisé pour les boîtes d'acquisition), webcam.

Automatisation industrielle: interfaces de programmation PLC, caméras industrielles, interfaces de capteurs, instruments de mesure de test (par exemple, Oscilloscopes, analyseurs logiques), interfaces de machines de commande.

Impression et numérisation: imprimantes laser / jet d'encre, scanners, machines tout - en - un (applications traditionnelles de type b).

Matériel médical: certains appareils d'imagerie médicale, instruments de diagnostic (sous réserve des exigences de certification médicale).

Systèmes embarqués: carte de développement, ordinateur à carte unique (SBC), interface hôte ou périphérique pour les périphériques de passerelle.

Électronique grand public: périphérique de console de jeu, connexion de périphérique VR (certains anciens modèles), interface USB Smart TV (type a).

X. mode d'installation

L'installation d'une prise USB 3.2 de type A / B tient principalement compte de la façon dont elle est fixée sur le PCB:

Technologie de montage en surface (SMT):

La manière la plus commune. Il y a des poteaux de positionnement en métal ou en plastique et des plots SMT au bas de la prise.

Il est fixé à la surface du PCB par soudage par un procédé de soudage à reflux.

Avantages: automatisation élevée, coût réduit, gain de place (en particulier pour les appareils minces).

Les exigences en matière de planéité et de résistance aux températures élevées du corps de la douille (nécessitant généralement une résistance à 260°C + température de pointe) sont élevées. Nécessite une conception précise de pad PCB et une ouverture de maille en acier.

Technologie d'insertion via (THT / PIH):

Les prises ont des broches (généralement des pieds de signal et / ou des pieds de fixation) qui traversent le PCB.

Fixation sur PCB par soudage à la vague ou à la main.

Avantages: haute résistance mécanique et connexions plus solides, particulièrement adaptées aux scénarios nécessitant des efforts ou des contraintes de branchement importants (p. ex. équipement industriel, ports fréquemment branchés).

Inconvénients: prend plus de place sur le PCB (nécessite un forage), les coûts de fabrication sont légèrement plus élevés par rapport au SMT et l'automatisation est légèrement inférieure.

Installation hybride (SMT + THT):

Certaines prises sont conçues avec un pied de signal SMT + un pied de fixation tht qui combine la fiabilité de la soudure et la résistance mécanique.

On le trouve couramment dans les applications où les exigences de fiabilité sont élevées.

Installation du panneau:

Les douilles sont fixées directement sur les trous ouverts du panneau de boîtier de l'appareil au moyen de vis, d'encliquetages ou d'écrous.

La prise elle - même peut être SMT ou tht soudée sur le PCB interne ou connectée à la carte mère par un câble.

S'assurer que la prise est solide, au niveau du panneau et que le blindage est bien relié au boîtier est essentiel.

Considérations clés pour l'installation:

Disposition de PCB: la ligne différentielle à grande vitesse (sstx / ssrx) doit strictement prendre la paire différentielle, la longueur adaptée, maintenir l'impédance de 90Ω, loin de la source de bruit.

Mise à la terre: le boîtier de blindage métallique de la prise doit être connecté au plan de masse du système par un chemin de faible impédance (trous multiples, grandes lignes de marche) pour un blindage EMI efficace.

Fixation: Assurez - vous que la prise est bien installée sur le PCB ou sur le panneau, résistant aux efforts de branchement et de vibration. Les prises SMT nécessitent généralement des poteaux de fixation ou des points d'appui supplémentaires.

Taille du trou ouvert: le trou ouvert du panneau doit correspondre exactement au profil de la prise, garantissant une insertion en douceur de la fiche et un bon contact du blindage.

Conclusion

La prise USB 3.2 de type A / B est une solution d'interface de transfert de données haute vitesse éprouvée et fiable. La compréhension de son fonctionnement (transmission différentielle du signal superspeed), du cœur de commande du circuit (émetteur - récepteur Phy), des exigences strictes en matière de Performances électriques (impédance, intégrité du signal), des caractéristiques des propriétés mécaniques (bornes, boîtiers, durée de vie de branchement), des paramètres nominaux, de l'adaptabilité à de larges températures et de la diversité des modes d'installation est essentielle pour sélectionner, concevoir et utiliser correctement ces connecteurs. Bien que l'interface USB type - c Représente l'avenir, le Modèle USB 3.2 A / B restera un élément essentiel et indispensable de l'écosystème d'interconnexion des appareils électroniques pendant un certain temps encore, en raison de son large déploiement et de ses besoins continus dans les équipements de stock, les périphériques spécifiques (imprimantes, audio professionnel, etc.), les applications industrielles. Lors de leur choix, les ingénieurs doivent tenir compte des exigences de débit (gen1 5 Gbit / S / GEN2 10 Gbit / s), de l'environnement d'application (température, vibrations, niveaux de protection), des exigences de fiabilité (nombre de durées de vie) et des facteurs de coût pour choisir le produit de prise le plus approprié.