מהי הגדרת הפינים של ממשק Type-C

מפרט הממשק האחרון שהוצג לאחר Type-B. בשונה מממשק ה-USB המסורתי, Type-C מאמץ עיצוב סימטרי, שאינו צריך להבחין בכיוון התקע, תוך הימנעות מפעולה מייגעת של משתמשים שמתחברים לכיוונים הנכונים והלא נכונים. בנוסף, USB Type-C תומך בפרוטוקול USB PD (Power Delivery), אשר מגביר את עוצמת הטעינה מ-7.5W (5V1.5A) המקסימלי המסורתי למקסימום של 100W (20V5A). מפרט ה-USB PD3.1 העדכני ביותר משפר עוד יותר את עוצמת הטעינה מסוג Type-C, עם הספק מרבי של עד 240W (28V5A).

עבור התקני USB Type-A או Type-B מסורתיים, ממשק ספק הכוח (Source) וממשק קליטת החשמל (Sink) כבר סטנדרטיים בהגדרת הממשק, כך שאין צורך לדאוג לגבי חיבור הפוך או שגוי. עבור מכשירים עם ממשקי Type-C, מכיוון שאין הבדלים כאלה, המשתמשים אינם יכולים לדעת את סוג הממשק, ולכן הבקר מסוג C עצמו צריך להשלים אותו. אז איך ממשקי Type-C מזהים זה את זה ומספקים את ההיגיון הנכון של אספקת החשמל?

הגדרת פינים של ממשק Type-C

ממשק Type-C מחולק לראש נשי (קיבול) וראש זכר (Plug). הפינים המלאים מסוג Type-C הם 24, וההגדרות של כל פין הן כדלקמן:

1. VBUS: סה"כ ארבעה ערוצים, פיני מתח BUS לאספקת חשמל בין מכשירים, ללא קשר אם הם מוכנסים קדימה או אחורה, ארבעת הפינים הללו יספקו אספקת חשמל

2. GND: סה"כ ארבעה ערוצים, מעגלי אספקת חשמל בין מכשירים, ללא קשר אם הם מוכנסים קדימה או אחורה, ארבעת הפינים הללו יספקו מעגלי אספקת חשמל

3. TX+/TX- ו-RX+/RX-: סה"כ ארבעה זוגות, עבור אותות USB3.0 במהירות גבוהה

4. D+/D-: סך הכל שני זוגות, עבור אותות USB2.0. במחבר הנקבה, שני הזוגות הללו יקצרו לזוג אחד

5. CC/VCONN: פין CC הוא פין תצורה המשמש לזיהוי חיבור המכשיר וכיוון חיבור קדימה ואחורה, והוא גם הקו לתקשורת USB PD; VCONN הוא סיכה סימטרית באלכסון לפין CC. כאשר פין אחד מאושר כ-CC, השני מוגדר כ-VCONN, המשמש להפעלת כבל eMark

6. SBU1/SBU2: פינים משולבים, כגון מתן SBTX ו-SBRX נוספים עבור USB4

המחבר הנשי הוא 24 פינים עם סימטריה אלכסונית על הפינים העליונים והתחתונים כדי לענות על צורכי החיבור קדימה ואחורה של המשתמש; המחבר הזכר הוא 22 פינים. מכיוון שיש רק זוג אחד של D+/D- במפרט ה-USB2.0, רק זוג אחד של פינים D+/D- נשמר במחבר הזכר.

כמובן, בתכנון המוצר בפועל, המהנדסים יצמצמו כראוי את מספר הפינים בהתאם להגדרת המוצר כדי לחסוך בעלויות. לדוגמה, עבור מוצרים המספקים רק טעינה, כגון מתאמי מתח, מוצרים כאלה אינם דורשים תקשורת נתונים במהירות גבוהה של USB3.0, כך שרק פינים CC, VBUS, GND ו-D+/D- נשמרים.

מבחינת אספקת החשמל, ניתן לחלק את התקני Type-C לשלוש קטגוריות

1. התקני Type-C שיכולים לשמש רק כספק כוח (Source), כמו מטענים מסוג Type-C וכו'.

2. מכשירי Type-C שיכולים לשמש רק כקבלת חשמל (Sink), כמו טלפונים ניידים מסוג Type-C וכו'.

3. התקני Type-C (DRP, Dual RolePort) שיכולים לשמש גם כספק כוח (Source) וגם כקבלת חשמל (Sink), כגון מחברות Type-C, מאגר כוח דו-כיווני וכו'.

ברור שכאשר שני התקני Type-C מחוברים יחד באמצעות כבלי C2C, שני הצדדים חייבים לדעת לאיזה סוג מכשיר שייך הצד השני, אחרת זה יוביל לטעינה לא מספקת (כגון טעינה הפוכה), או לאי טעינה, ואף יגרום בעיות בטיחות.

לדוגמה, כאשר משתמש משתמש במטען (מקור) כדי לטעון בנק חשמל דו-כיווני מסוג Type-C (DRP), באופן אידיאלי, בנק הכוח צריך "לשמש" כ-Sink. עם זאת, עקב זיהוי שגוי של סוג מכשיר, בנק הכוח עלול "לשמש" כמקור ולגרום ל"זרימה חוזרת נוכחית", ולגרום נזק לשני המכשירים.

מפרט ממשק Type-C מבחין בין Source, Sink ו-DRP באמצעות סדרה של מנגנוני "משיכה למעלה" ו"משיכה למטה" בפין CC. עבור התקני מקור, יש להגדיר את פין ה-CC עם נגד משוך Rp; עבור התקני Sink, יש להגדיר את פין ה-CC עם נגד נשלף Rd; ועבור התקני DRP, המשיכה למעלה והמשיכה מחולפת לסירוגין על ידי מיתוג מתגים.

מקור קובע אם התקן מחובר על ידי זיהוי פין CC בקצה Rp, ו-Sink קובע את כיוון ההחדרה קדימה ואחורה על ידי זיהוי פין CC בקצה Rd.

נגד משיכה למטה Rd=5.1k, ונגד משיכה Rp מוגדר בהתאם לקיבולת אספקת החשמל שלו ולמתח המשיכה שלו. קיבולת אספקת החשמל של USB Type-C היא כדלקמן:

1. קיבולת ברירת מחדל של ספק כוח USB (ברירת מחדל של כוח USB). ממשק USB2.0 הוא 500mA; ממשק USB3.2 הוא 900mA ו-1500mA

2. פרוטוקול BC1.2 (BatteryCharge 1.2). תומך בהספק מרבי של 7.5W, כלומר 5V1.5A

3. USB Type-C Current 1.5A, תומך בהספק מרבי של 7.5W, כלומר 5V1.5A

4. USB Type-C Current 3A, תומך בהספק מרבי של 15W, כלומר 5V3A

5. פרוטוקול USB PD (USB Power Delivery), תומך בהספק מרבי של 100W, כלומר 20V5A

סדרי העדיפויות של חמש יכולות אספקת הכוח הללו גדלות ברצף, וכוח אספקת הכוח גדל גם הוא בהדרגה. יכולת אספקת החשמל בעדיפות גבוהה תעקוף את יכולת אספקת החשמל בעדיפות נמוכה. ביניהם, ברירת מחדל USB Power, USB Type-C Current 1.5A ו-USB Type-C Current 3A ניתן להגדיר על ידי קביעת ערך Rp.

כאשר שני המכשירים מחוברים, ה-Sink משיג את יכולת אספקת החשמל של ה-Source על ידי זיהוי ערך מחלק המתח vRd של Rp ו-Rd. להלן היחס המתאים בין ערך Rp, טווח המתח vRd ויכולת אספקת החשמל של המקור.

במקביל, ה-CC השני של המכשיר נותר צף או נמשך מטה על ידי Ra=1k. אם Ra נמשך כלפי מטה, זה אומר שלכבל ה-USB-C יש שבב eMarker מובנה, וה-Source צריך להעביר את הפין ל-VCONN כדי להפעיל את הכבל.

עד כה, הסברנו שהמכשירים משתמשים ב-"pull-up" או "pull-down", או עוברים לסירוגין בין השניים, כדי לקבוע את ה-Source, Sink ו-DRP, ולהגדיר ולקבוע את קיבולת אספקת החשמל של ה-Source על-ידי ערך התנגדות Rp וערך מתח vRd. עם זאת, כיצד תהליך זה מיושם? כיצד נמנע Type-C מטעינה הפוכה או טעינה לא נכונה?