Einstieg in die Verwendung von USB-C zur Stromversorgung

Die USB-Typ-C™-Spezifikation bietet neue Optionen für die skalierbare Stromversorgung über USB. Die Spezifikation ist jedoch komplex und für Entwickler ergeben sich Sicherheits- und Layout-Fragen.

In diesem Artikel werden USB-Typ-C-Buchsen (auch als USB-C bezeichnet) vorgestellt. Außerdem enthält er Informationen zur Integration dieser USB-C-Buchsen in ein neues System und deren Auslegung für die Versorgung externer Geräte mit skalierbarem USB-Strom.

USB-C – Einführung

Beim ursprünglichen Standard USB 1.1 war der maximale Strom mit 500 Milliampere (mA) bei 5 Volt (2,5 Watt) bemessen. Bei USB 2.0 galt derselbe Höchstwert. Das änderte sich mit der Spezifikation USB 3.1, die maximal 900 mA zulässt. Und das alles über den bekannten rechteckigen USB-Anschluss. Mit der allgegenwärtigen Verbreitung von USB stiegen jedoch seine Einsatzmöglichkeiten und die an ihn gestellten Anforderungen im Hinblick auf die Kompatibilität der Anschlüsse und der Stromversorgungsfähigkeit.

Das mündete letztlich in der Entwicklung des Standards USB Typ-C™. USB-C ist keine Spezifikation für die Datenübertragung, sondern ein neuer Standard für einen Miniatur-USB-Anschluss. Im Verlauf seiner gesamten Geschichte plagten USB Probleme mit der Anschlusskompatibilität. Das Einstecken des genormten rechteckigen USB-Typ-A-Steckers ist ein klassisches Beispiel für das Gelten von Murphys Gesetz: Ganz gleich, wie man den polarisierten Stecker ansetzt, stets ist es die falsche Ausrichtung (Abbildung 1). Und auch wenn er richtig herum eingesteckt wird, wackelt er oft und wird daraufhin herausgezogen, umgedreht und erneut eingesteckt. Und das immer wieder.

Abbildung 1: Die vielen USB-Anschlusstypen waren Entwicklern und Benutzern seit USB 1.1 ein Dorn im Auge. Der gebräuchlichste Anschluss für Computer im Verbraucherbereich ist der USB-Typ-A-Anschluss, der für USB 1.1, 2.0, 3.0 und 3.1 verwendet wird. (Bildquelle: Wikipedia)

Weil der polarisierte Typ-A-Anschluss recht groß war, wurden die kleineren polarisierten Keystone-Mikro- und Mini-Anschlüsse entwickelt, um die Integration in kleine Verbrauchergeräte zu erleichtern. Aber auch hier hatten Entwickler und Nutzer dieselben Ausrichtungsprobleme wie beim Typ A.

Der neue USB-C-Anschluss (unten rechts in Abbildung 1) ist nur geringfügig größer als der USB-Micro-B-Anschluss, wie er bei Android-Smartphones und IoT-Geräten zu finden ist. Er ersetzt sowohl den Computer- (Host) als auch den Geräteanschluss. Dadurch werden mehrere Kabeltypen durch einen einzigen Typ ersetzt. Zudem ist der USB-C-Anschluss symmetrisch und hat daher keine vorgegebene Ausrichtung. Das ermöglicht eine stabile Verbindung, unabhängig davon, wie der Stecker eingesteckt ist.

USB-C-Pinbelegung und Strompegel

Der USB-C-Anschluss unterstützt sowohl USB 2.0 als auch USB 3.1. Bei Verwendung für USB 3.1 schreibt der Standard vor, dass er auch die Abwärtskompatibilität mit USB 2.0 unterstützt. Das ist die empfohlene Verwendung für die neuen Designs. Bei Designs mit niedriger Datenrate kann der Anschluss jedoch auch nur für USB 2.0 verwendet werden.

Abbildung 2: Der 24-polige USB-C-Anschluss ist nicht polarisiert und symmetrisch. Dadurch kann er mit beliebiger Ausrichtung eingesteckt werden. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Wenn wir uns die Pinbelegung des USB-C-Anschlusses anschauen, sehen wir, dass sich die vier Massepins (GND) jeweils außen am Anschluss befinden (Abbildung 2). Das verbessert die Störfestigkeit und ermöglicht den einfachen Anschluss an das über Metall geerdete Anschlussgehäuse. Die standardmäßigen bidirektionalen USB2.0-Datenpins D+ und D- gibt es in der Mitte doppelt. Sie sind für alle USB-C-Datenübertragungsanwendungen obligatorisch. USB 3.1 hat separate Sende- und Empfangspfade mit hoher Datenrate, wobei die Empfangspins RX1+ und RX1- durch RX2+ und RX2- verdoppelt werden. Bei den USB3.1-Sendedatenpfaden wiederholt sich dieses Muster mit TX1+ und TX1- sowie TX2+ und TX2-.

Der USB-C-Anschlussstandard unterstützt auch die Videoübertragung, einschließlich DisplayPort und HDMI. Im Standard wird dies als „Alternate Mode“ bezeichnet. Damit werden wir uns in diesem Artikel jedoch nicht befassen.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass der Standard für USB-C eine maximale Stromabgabe von 3,0 Ampere bei 5 Volt für bis zu 15 Watt Leistung vorsieht. Noch weiter geht der USB Power Delivery Standard v2.0, laut dem ein USB-C-Anschluss, der USB 3.1 unterstützt, bis zu 100 Watt Leistung liefern kann (20 Volt bei 5 Ampere). Die Abgabe erfolgt dabei über die V_BUS-Pins. Damit wird die USB-Schnittstelle von einer Hilfsspannungsquelle zu einer primären Spannungsquelle.

Fallstricke bei der Implementierung von USB-C-Anschlussdesigns

Wenn in einem Projekt 100 Watt Ausgangsleistung unterstützt werden sollen, setzt das durchdachte Layout-Prozeduren bei der Entwicklung der Karte voraus, damit die Sicherheit für den Benutzer und den Entwickler gleichermaßen gewährleistet ist. Bei den meisten Projekten ist eine Leistungsabgabe in dieser Größenordnung nicht erforderlich; so kann ein hochstromiges Smartphone-Ladegerät beispielsweise mit 3,0 Ampere bemessen sein. Der Sweetspot liegt bei den meisten handelsüblichen USB-C-Anschlüssen jedoch bei 5,0 Ampere zwischen V_BUS und GND. Das wird vom rechtwinkligen USB-C-Anschluss 10137062-00021LF der 1. Generation nach USB 3.1-Standard von Amphenol FCI (Abbildung 3) unterstützt.

Abbildung 3: Der USB-C-Anschluss 10137062-00021LF von Amphenol FCI ist ein rechtwinkliger, auf der Oberseite der Platine montierbarer Anschluss mit kurzem Gehäuse, der auf Durchsteck- und Oberflächenmontage ausgelegt ist. (Bildquelle: Amphenol FCI)

Diese USB-C-Buchse unterstützt maximal 5 Ampere; für die Abgabe von 100 Watt werden daher 20 Volt Gleichspannung benötigt. Bei den meisten Projekten sind 25 Watt (5 Volt bei 5 Ampere) jedoch völlig ausreichend und sicher. Dieser USB-C-Anschluss unterstützt die USB-3.1-Gen-1-Datenrate von 5 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s). Die maximale Nennspannung beträgt 100 Volt DC oder AC, die gemäß der spezifizierten Maximalleistung von 100 Watt maximal 1 Ampere liefern kann.

Dieser Anschluss unterstützt die Oberflächen- und Durchsteckmontage und sitzt oben auf der Leiterplatte. Das Anschlussgehäuse aus Edelstahl ist stabiler als die Aluminiumausführung und zudem elektrisch mit den GND-Pins verbunden.

Das Gehäuse muss über die vier schmalen Zungen – zwei an jeder Seite des Anschlusses –, die in Schlitze in der Leiterplatte gleiten, geerdet werden. Diese Zungen müssen unter großzügiger Verwendung von Lötzinn an die Massefläche der Leiterplatte gelötet werden, um eine stabile Verbindung zu garantieren.

Signalführung beim USB-C-Anschluss

Die differenziellen Hochgeschwindigkeitssignale bei USB 3.1 müssen sorgfältig geführt werden, damit sie nebeneinander und auf der exakt gleichen Länge liegen. Die Leiterbahnen für die differenziellen Signale müssen so kurz wie möglich gehalten werden, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Die beste Rauschfestigkeit wird erzielt, wenn die differenziellen Signale an einer Innenlage der Leiterplatte geführt werden. Erfolgt dies an einer äußeren Lage, sind die Signale mit Masseleiterbahnen um die differenziellen Paarleiterbahnen von anderen Datenleitungen zu isolieren. Zudem sind die differenziellen Signale immer über eine massive Massefläche zu führen, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.

Bemessen Sie die Leiterplatte so, dass die differenzielle Leiterbahnimpedanz 90 Ohm ±10 % beträgt, damit sie der differenziellen Impedanz des USB-Kabels entspricht. Zudem ist jede Leiterbahn so zu führen, dass die Impedanz der einzelnen referenzbezogenen Leitungen in jedem Paar gleich ist. Als Faustregel gilt hier, dass die Impedanz eines differenziellen Paares das Doppelte der Impedanz eines der Paare beträgt. Daher sollten Leiterbahnen so geführt werden, dass die Impedanz jeder referenzbezogenen Leitungen 45 Ohm ±10 % beträgt.

Sicheres Führen von USB-C-Stromsignalen

Die Führung der Stromsignale ist kritischer. Die sichere Abgabe von 5 Ampere muss sorgfältig konzipiert werden, um versehentliche Masseschlüsse am Gerätegehäuse oder am Nutzer zu vermeiden. Die 5 Ampere können auf einer oberen oder unteren Lage der Leiterplatte geführt werden, allerdings nicht zu nah am Rand der Leiterplatte. Das verhindert einen versehentlichen Kontakt mit dem Gerätegehäuse durch Stöße oder Schäden am Gehäuse.

Für die sichere Abgabe von 5 Ampere auf einer Leiterplatte über Kupfer mit einem Leiterquerschnitt von 70 μm (zwei Unzen pro Quadratfuß) wird eine Leiterbahnbreite von rund 1,133 mm (44,6 mil) benötigt. Eine sicherere Methode besteht darin, den Strom von externen Einflüssen zu isolieren, indem die 5 Ampere an einer Innenlage der Leiterplatte geführt werden. Das würde eine Leiterbahnbreite von knapp 3 mm (116 mil) bei identischer Kupferdichte voraussetzen (Berechnungen auf Basis des IPC-2221-Profils). Verwenden Sie so viel Kupfer wie möglich in der Nähe der V_BUS-Anschlusspins, um Stromverluste zu vermeiden.

Senkrecht montierte USB-C-Anschlüsse

Bei Platzmangel auf der Leiterplatte kann die USB-C-Buchse auch senkrecht montiert werden. Dazu bietet Amphenol FCI den senkrecht montierten USB-C-Anschluss 10132328-10011LF nach USB 3.1-Standard.

Abbildung 4: Dieser senkrecht montierte USB-C-Anschluss von Amphenol FCI hat einen geringen Platzbedarf auf der Leiterplatte. (Bildquelle: Amphenol FCI)

Dieser senkrechte USB-C-Anschluss unterstützt den USB-3.1-Gen-2-Datenstandard von 10 Gbit/s. Zudem unterstützt er mit seiner maximalen Nennspannung von 100 Volt DC/AC die Abgabe von 100 Watt elektrischer Leistung und die Speisung mit bis zu 5 Ampere. Er weist dieselbe Edelstahl-Gehäusekonstruktion wie der rechtwinklige Anschluss auf. Auch hier müssen die vier Zungen am Gehäuse über Schlitze in der Leiterplatte mit ausreichend Lötzinn sicher geerdet werden.

Anders als bei der rechtwinkligen Buchse wird er nur am schmalen Anschlussende oberflächenmontiert. Dadurch liegen die V_BUS-Stromkontakte näher an den Signalkontakten. Die sorgfältige Führung der Stromkontakte mit ausreichend Abstand zu den Signalkontakten ist deshalb ein Muss. Angesichts des beengten Platzes ist es am sichersten, die Datenpaare und die V_BUS-Stromkontakte auf unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte zu platzieren.

Bei der Speisung von Strom an die oben genannten Buchsenanschlüsse gibt es ein kurzes Handshaking-Protokoll zwischen dem USB-Host und dem Gerät, das entscheidet, wie viel Strom gespeist werden soll. Es gibt ICs, die sich um die USB-Verbindungen zwischen Verbraucher und Quelle kümmern. Das macht den Prozess für den Entwickler transparent.

Ein gutes Beispiel dafür ist der USB-C-Source-Controller STUSB1700 von STMicroelectronics. Er steuert sicher die 5-Volt-Verbindungen von USB-C-Host zu Gerät. Bei der Stromspeisung kann der STUSB1700 Folgendes erkennen und Schutz davor bieten: Kurzschlüsse, Stromaufnahme über einem programmierten Höchstwert, Überhitzung über 145 °C, Unter- und Überspannungsbedingungen sowie Rückstrom- und Rückspannungsbedingungen. Das vereinfacht die sichere Bemessung eines USB-C-Systems enorm und erleichtert dem Entwickler die Aufgabe.

Abbildung 5: Der STUSB1700 gibt in seinem Schaltkreis 3 Ampere Strom ab und kann eigenständig operieren. Bei Steuerung durch einen optionalen Mikrocontroller mit einer I²C-Schnittstelle müssen die Pullup-Widerstände R3 bis R10 ergänzt werden. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der STUSB1700 wird für USB-C-Host-Anschlüsse verwendet und kann eine neue Verbindung zwischen Host und Gerät erkennen. Zudem kann er den Strombedarf des Geräts ermitteln und den entsprechenden Strom liefern. Darüber hinaus ermittelt er, ob es sich beim Gerät um ein digitales Audiogerät handelt. Falls ja, gibt er dem Mikrocontroller das Signal, über den USB-C-Anschluss digitales Audio zu liefern. Er kann mit dem USB-Gerät verhandeln, um zu entscheiden, ob der Strombedarf auf USB-Standardniveau (bis zu 900 mA), USB-Mittelpegel (bis zu 1,5 Ampere) oder USB-Hochpegel (bis zu 3,0 Ampere) liegen soll.

Fazit

Der neue USB-C-Standard vereinfacht es, entsprechend ausgelegte Geräte sicher mit bis zu 100 Watt elektrischer Leistung zu speisen. Dank Normierung sämtlicher Smartphones, Digitalkameras, Computer und elektronischer Geräte auf einen Anschlusstyp müssen sich Entwickler keine Gedanken über die zu verwendende Anschlussgröße und -ausführung machen. Zudem macht sie Designs zukunftssicher.