Was beim Wechsel von USB 2.0 OTG auf USB Type-C zu beachten ist

Texas Instruments

Kabel, Steckbuchse und Stecker sind bei USB Typ-C so konzipiert, dass sie robuster und anwenderfreundlicher sind als aktuelle USB-Kabel (Micro-A, Typ-A und Typ-B). Zurzeit lassen sich Typ-A-Stecker nur in einer Position in eine Typ-A-Buchse einstecken. Anders ist es bei Typ-C-Steckern, die in beiden Orientierungen in die entsprechenden Buchsen passen. Diese eher einfache Modifikation vermeidet die Frustrationen beim Versuch, einen USB-Stecker in falscher Lage in einen USB-Port zu stecken.

USB-Produkte ziehen immer mehr Strom aus V_BUS, und außerdem besteht der Wunsch nach kürzeren Ladezeiten. Der USB-Typ-C-Standard ist deshalb auf den Leistungsbedarf der Produkte von heute ausgerichtet und unterstützt darüber hinaus die Anforderungen bis weit in die Zukunft. Zur Nutzung der Vorteile von USB Typ-C müssen Unternehmen allerdings ihre existierenden Produkte so umrüsten, dass sie den Anforderungen des Typ-C-Standards entsprechen. Dieser Umstellungsprozess kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein, die sich aber vereinfacht, wenn man auf die in diesem Beitrag enthaltenen Informationen zurückgreift.

Tabelle 1: Anschlussbelegung von Micro-A/B-Steckbuchse und Steckern.Texas Instruments

USB 2.0 OTG

Ein Produkt mit einer Schnittstelle vom Typ USB 2.0 OTG ist ein portables Gerät (zum Beispiel ein Mobiltelefon oder ein Tablet), das als USB-Host oder USB-Peripherie nutzbar ist. Alle USB-2.0-OTG-Produkte müssen mit einer Micro-A/B-Steckbuchse ausgestattet sein. Ein Produkt, das USB 2.0 OTG implementiert, legt seine jeweilige Rolle anhand des Zustands des ID-Pins fest. Befindet sich der ID-Pin auf Massepotenzial (GND), fungiert das OTG-Produkt als USB-Host und stellt dem angeschlossenen USB-Peripheriegerät V_BUS zur Verfügung. Im anderen Fall arbeitet das OTG-Gerät als USB-Peripherie.

Bild 1a: Stecker von USB Typ-C.USB Typ-C Spezifikation/TI

Tabelle 1 zeigt die Anschlussbelegungen von Buchse und Stecker. Der ID-Pin des Steckers liegt entweder an Masse oder er bleibt unbeschaltet, um den Betrieb als Host oder Peripherie auszuwählen.

Arbeitet ein Gerät als USB-Peripherie, dann überwacht das portable USB-2.0-OTG-Produkt die V_BUS-Leitung. So kann es feststellen, ob es an einen USB-Host oder ein externes Ladegerät angeschlossen ist – beispielsweise ein Mobiltelefon an ein Steckernetzteil. Mit USB Battery Charging (BC1.2) oder einer anderen geeigneten Methode hat ein portables Produkt die Möglichkeit, mehr als die von USB 2.0 vorgegebenen 2,5 W anzufordern, um kürzere Ladezeiten zu erzielen.

Bild 1b: Steckbuchse von USB Typ-C.USB Typ-C Spezifikation/TI

USB Typ-C

Die USB Typ-C-Spezifikation definiert eine Steckbuchse mit dem zugehörigen Kabel in der Weise, dass der Anwender beim Einstecken nicht auf die Orientierung des Steckers achten muss (Bild 1). Das verwendete Kabel kann an beiden Enden mit einem Typ-C-Stecker versehen sein, oder es besitzt an einem Ende einen USB-Stecker älteren Typs (Micro-A, Typ-A oder Typ-B und andere). Um für Anwendungen mit größeren Bandbreiten gerüstet zu sein, ergänzt die USB-Typ-C-Spezifikation die Steckverbindung durch mehrere USB-3.1-Paare.

Bild 2: Anschlussbelegung einer vollständig verdrahteten USB Typ-C Steckbuchse (Ansicht von vorn).USB Typ-C Spezifikation/TI

Ein vollständig verdrahtetes Typ-C-Kabel unterstützt sowohl USB 2.0 als auch USB 3.1. Bei der Umrüstung eines USB-2.0-OTG-Produkts in ein Typ-C-Produkt werden die USB-3.1-Signale allerdings nicht benötigt. Stattdessen sollten diese Signale unbeschaltet (elektrisch isoliert) auf der Leiterplatte belassen werden. Daher sind in Bild 3 die zu USB 3.1 gehörenden Kontakte einer Typ-C-Steckbuchse mit der Bezeichnung NC (No Connection) versehen.

Die Anschlussbelegung in Bild 2 zeigt zwei Paare mit Kontakten der Typen D+- und D-. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es zwei unabhängige USB-2.0-Pfade gibt, denn ein Typ-C-Kabel besitzt nur je eine Leitung für D+ und D-. Die Bereitstellung zweier Kontaktpaare für diese beiden Leitungen sorgt jedoch dafür, dass sich der Stecker in beiden Lagen einstecken lässt. Von Seiten des Produkts sollten deshalb beide Leitungen (je einmal D+ und D-) mit der Leiterplatte verbunden sein. Bei der Verbindung dieser Kontakte auf einer Leiterplatte entsteht ganz unvermeidlich eine Stichleitung. Entwickler müssen darauf achten, dass die Länge dieser Stichleitung 2,5 mm nicht überschreitet, da es sonst zu Signalintegritäts-Problemen am USB-2.0-Interface kommen kann.

Bild 3: Anschlussbelegung einer Steckbuchse nur für USB Typ-C USB 2.0 (Ansicht von vorn).USB Typ-C Spezifikation/TI

Auffällig ist das Fehlen des ID-Pins am USB-Typ-C Steckverbinder. Die Wahl zwischen Host- und Peripherie-Funktionalität wird bei Typ-C nämlich anders gehandhabt. Ob es sich um einen Host oder ein Peripheriegerät handelt, ermittelt das System mithilfe der CC-Pins (Channel Configuration) CC1 und CC2, wobei es in einem bestimmten Intervall zwischen einem Pull-up- und einem Pull-down-Widerstand hin- und herschaltet. Ob ein Gerät die Definition „Host“ oder „Peripherie“ erhält, hängt von dem Spannungspegel ab, der nach Verstreichen einer vorgegebenen Entprellzeit an den CC-Pins anliegt.

Dual-Role-Port Typ-C

Im Typ-C-Ökosystem trägt das USB-2.0-OTG-Gerät die Bezeichnung Dual-Role-Port (DRP). Ein DRP ist ein Gerät, das entweder als USB-Host oder als USB-Peripherie fungieren kann. In der Typ-C-Terminologie wird ein USB-Host als Downstream-Facing-Port (DFP) bezeichnet, ein USB-Peripheriegerät hingegen als Upstream-Facing-Port (UFP).

Bild 4: Funktionalität eines Dual-Role-Ports (DRP) für CC1 und CC2.USB Typ-C Spezifikation/TI

Bei der Wahl zwischen DFP und UFP muss ein DRP-Gerät zwischen der DFP- und der UFP-Rolle hin- und herwechseln, bis eine Verbindung hergestellt werden kann. Bild 4 gibt das Funktionsprinzip eines DRP gemäß der USB Typ-C-Spezifikation wieder.

Während ein DFP einen Pull-up-Widerstand (Rp) besitzt, ist am UFP ein Pull-down-Widerstand (Rd) vorhanden. Wie Bild 4 zeigt, werden Rp und Rd an CC1/CC2 über einen Schalter gesteuert. Beim Herstellen einer Verbindung mit selektiertem Rp verhält sich das DRP-Gerät wie ein DFP (Host) und stellt dem angeschlossenen Peripheriegerät V_BUS zur Verfügung. Wird die Verbindung dagegen mit selektiertem Rd hergestellt, verhält sich das DRP-Gerät wie ein UFP (Peripherie) und überwacht V_BUS, um eine Datenverbindung aufzubauen und/oder die eigenen Schaltungen mit Strom zu versorgen.

Denkbar ist auch der Fall, dass ein Anwender zwei DRP-fähige Geräte zusammensteckt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass eines der Geräte in der Lage ist, als Host oder Peripherie zu fungieren. Zum Beispiel können ein Mobiltelefon und ein Tablet beide DRP-fähig sein. Werden beide jedoch miteinander verbunden, wird das Mobiltelefon zum Peripheriegerät und das Tablet zum Host. Es sollte nicht vorkommen, dass das Mobiltelefon zum Host für das Tablet wird und es mit V_BUS versorgt. Das Telefon sollte also nicht das Tablet aufladen.

Vorzugsrolle bei Typ C

Die Typ-C-Spezifikation sieht deshalb optionale Pfade im Anschluss des DRP vor, mit denen ein Gerät eine bestimmte Vorzugsrolle angeben kann. Diese Optionspfade tragen die Bezeichnungen Try.SRC und Try.SNK. Im Fall portabler Geräte ist es wichtig, dass diese beiden optionalen Features implementiert sind. In einem Tablet kann die Implementierung von Try.SRC wünschenswert sein, damit es beim Anschluss an ein anderes DRP-Gerät zum Host wird. Bei einem Mobiltelefon ist die Implementierung von Try.SNK sinnvoll, damit es beim Anschluss an ein anderes DRP-Gerät als Peripherie arbeiten kann.

In Bild 4 ist auch ein V_CONN-Schalter zu sehen. V_CONN (5 V mit mindestens 1 W) ist für die Versorgung von Kabeln mit aktiven Schaltungen vorgesehen. Im Typ-C-Sprachgebrauch werden diese als „aktive Kabel“ bezeichnet. Üblicherweise dient V_CONN zur Versorgung eines in das Kabel integrierten USB-3.1-Signalaufbereitungs-Bausteins. Für Produkte, die ausschließlich USB 2.0 unterstützen, ist V_CONN dagegen nicht erforderlich.

Bei Redaktionsschluss dieses Beitrags war Try.SNK allerdings noch nicht als Engineering Change Notice (ECN) für die USB Type-C 1.1 Spezifikation freigegeben.

Single-Chip-Lösung

Eine Möglichkeit, ein Produkt des Typs USB 2.0 OTG mit Micro-A/B-Steckbuchse auf eine Typ-C-Steckbuchse umzurüsten, bietet die Produktserie TUSB32x von Texas Instruments. Je nach  Zustand eines Pins oder dem Wert in einem I²C-Register kann diese Produktfamilie als UFP, DFP oder DRP agieren. Die Bausteine von TI übernehmen sämtliche Aspekte des Typ-C-Verbindungsvorgangs. Sie stellen einen ID-Pin bereit, der das Verhalten des ID-Pins am Micro-A/B-Steckverbinder nachahmt. So lässt sich die Funktion als Host oder Peripherie ohne Schwierigkeiten festlegen. Beim Anschluss als Peripherie signalisiert die TUSB32x-Familie den vom angeschlossenen Host zur Verfügung gestellten V_BUS-Strom über I²C-Register oder GPIO-Pins. Beim Anschluss als Host wird dagegen dem angeschlossenen Peripheriegerät der verfügbare V_BUS-Strom signalisiert.

(av)