Smart-Hub-Bausteine mit einheitlichen Funktionen für USB 2 und 3

In den letzten zehn Jahren haben sich die Funktionen (darunter auch viele USB-Funktionen) von Infotainment-Systemen in Fahrzeugen erheblich verändert. Im Jahr 2009 zählten sowohl eingebaute Navigationssysteme als auch DVD-Player zu den fünf wichtigsten Merkmalen in Fahrzeugen. Durch den Erfolg des Smartphones sind eingebaute Navigationssysteme inzwischen auf der Strecke geblieben, und die Komfortfunktionen für den Fahrer – wie Smartphone-Schnittstellen (beispielsweise Android Auto, Apple Carplay) und das schnelle Aufladen über USB (Universal Serial Bus) – sind in den Vordergrund gerückt.

USB als unverzichtbare Smartphone-Verbindung zum Fahrzeug

Bild 1: Beim Entwurf eines USB-Systems in Fahrzeugen sind vielfältige Faktoren zu berücksichtigen. Microchip

An der Schnittstelle dieser Funktionen befindet sich die entscheidende Technik: USB. Der Schnittstellenstandard ist allen Nutzern bekannt und erfährt immer wieder Aufwertungen durch neue Spezifikationen des USB-IF (USB Implementers Forum). Entwickler können somit den Mehrwert dieser Technik weiter ausbauen. Ingenieure bei den führenden Automobilherstellern und Tier-1-Zulieferern integrieren diese Komfortfunktionen bereits seit einigen Jahren in ihre Designs. Dieser Trend setzt sich fort, da sich die Anwendungen (Apps) auf Smartphones ständig weiterentwickeln, zunehmend mehr Bandbreite in Fahrzeugen zur Verfügung steht und die Verbraucher ein schnelleres Aufladen ihrer Mobilgeräte wünschen.

Die Smartphone-Schnittstelle im Fahrzeug verwendet den USB-Bus als Transportebene, um Bildschirminhalte oder die Daten des Mobilgerätes an die Haupteinheit (Head Unit) zu streamen. Für ein schnelleres Aufladen definiert die USB-PD-Spezifikation (Power Delivery) den Vorgang zum Aushandeln der Stromlieferung und wie viel Strom das Endgerät erhalten kann. Während die USB-Spezifikationen, Konformitätstests und USB-ICs für den Großteil dieser Ladefunktion konzipiert sind, muss die Systemintegration aller Bauteile, einschließlich der Hardware und Software in der Head Unit sowie den Media-Hubs, entsprechend ausgelegt sein.

Wichtige Überlegungen für USB-3.1-Anwendungen

Um auf die nächste Technologie-Ebene zu gelangen, sind viele Faktoren zu berücksichtigen, damit ein System den vielfältigen gegenwärtigen Anforderungen genügt (Bild 1):

• Bandbreitenbedarf (USB 2.0 Hi-Speed oder USB 3.1 Super-Speed)
• Unterstützung für Apps (Host-/Device-Austausch)
• Anzahl der benötigten Ports (1, 2, 3, 4) sowie die Bauform (Typ A oder C)
• Art der Hardwareschnittstelle (USB-Host- oder USB-Host/Device-Port)
• Leistungspegel des USB-Ladevorgangs (1,5, 2 oder 3 A und mehr)

Entscheidend ist daher, dass OEMs Funktionen hinzufügen können, ohne die Systemarchitektur verändern zu müssen. Microchip bietet ein umfangreiches USB-Angebot für den Automotive-Bereich, das eine einheitliche Systemintegration unterstützt, sodass die Hersteller Systeme unter Beibehaltung der Architektur migrieren können.

Nutzt ein OEM eine USB-2.0-Verbindung zu einem reinen USB-Host-Port in der Head Unit, kann er problemlos zum USB-3.1-Standard wechseln, wofür nur eine USB-Host-Port-Lösung erforderlich ist (beispielsweise die USB-Host-Reflector-Funktion). Beide Schnittstellenstandards nutzen den gleichen nativen USB-Class-Treiber – etwa Communication Device Class oder Network Control Model – um Apple Car-Play zu unterstützen. Somit lassen sich unter einer USB-2.0-Umgebung abgeschlossene Entwicklungen, einschließlich die Einrichtung der mobilen Schnittstellenanwendungen, für beide ICs übernehmen. Ebenso unterstützt Microchip eine USB-Host-/Device-Verbindung an der Head Unit mit einer Funktion namens Flex-Connect, mit der sich die Funktion des Hub-Ports von Device zu Host und umgekehrt austauschen lässt.

Flex-Connect oder Multi-Host-Reflector?

Vor diesem Hintergrund hat der Entwickler die Möglichkeit, entweder eine Flex-Connect-Methode für den Host-/Device-Tausch eines iPhones, auf dem Car-Play läuft, zu verwenden oder die Multi-Host-Reflector-Methode einzusetzen. Einer der Hauptunterschiede zwischen beiden Methoden ist die Bandbreite, die für die Car-Play-Sitzung zur Verfügung steht. Mit Flex-Connect steht dem iPhone (das während der Car-Play-Funktion zum USB-Host wird) die gesamte Bandbreite von USB 2.0 (480 MBit/s) zur Verfügung. Mit dem Multi-Host-Reflector teilt sich das iPhone die 480-MBit/s-Bandbreite mit dem USB-Host in der Head Unit. Die Entscheidung liegt beim Entwickler, jene Methode zu wählen, die den Systemanforderungen am besten entspricht. In beiden Fällen sind keine benutzerdefinierten Treiber erforderlich. Ob Multi-Host-Reflector oder Flex-Connect, ihre Funktionen sind sowohl in USB-2.0- als auch USB-3.1-Hubs verfügbar.

Aus diesem Grund kann eine Infotainment-Head-Unit mit Media-Hub hinsichtlich ihrer funktionalen IC-Blöcke problemlos von USB 2.0 Hi-Speed auf USB 3.1 Super-Speed migrieren. Einheitliche Funktionen und USB-Class-Treiber bieten identische Unterstützung für Anwendungen und reduzieren gleichzeitig den Aufwand für die Systemvalidierung, das Designrisiko und die Markteinführungszeit.

Abwägungen beim Übergang von USB 2.0 auf USB 3.1

Bild 2: Blockdiagramm des kürzlich vorgestellten USB7002 von Microchip. Er umfasst die gleiche Architektur wie USB-2.0-Smart-Hubs, was den Übergang zwischen Systemen vereinfacht. Microchip

Während der Übergang von USB 2.0 auf USB 3 relativ einfach möglich ist, sind beim Übergang auf eine USB-3.1-SuperSpeed-Lösung einige Aspekte zu berücksichtigen, unter anderem der Unterschied zwischen einem 5-GBit/s-Datenstrom gegenüber einer 480-MBit/s-Verbindung. Das Leiterplattendesign, die Platzierung der Bauelemente, die Qualität der Steckverbinder und die Kabellängen können die Signalintegrität deutlich beeinflussen. Während die Erstimplementierung höhere Kosten für Kabel und Bauelemente berücksichtigen muss, erzielen hohe Stückzahlen und die Skalierbarkeit zu einem späteren Zeitpunkt Einsparungen. Die erreichbare Gesamtleistungsfähigkeit wie auch Bandbreite muss sich an diesen Faktoren messen.

Bei USB-C-Ports mit USB Power Delivery (PD) 3.0 und der Möglichkeit, bis zu 100 W Leistung pro Port für das Laden bereitzustellen, kommt es darauf an, eine einheitliche Architektur mit den entsprechenden Steuerfunktionen bereitzustellen. Die Temperatur ist dabei so zu regeln, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb und eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet sind, genauso bedarf es geeigneter Abschaltmechanismen. Microchip hat ein einheitliches Funktionsblockschaltbild für USB 2.0 und USB 3.1 entwickelt, das die gleiche Architektur beibehält. Dabei führt der im Hub integrierte Mikrocontroller (MCU) den PD-Stack aus, bildet eine Schnittstelle zum Port-Controller und verwaltet die Versorgung des Media-Hubs. Diese Architektur mit einer zentralisierten MCU kann mehrere Funktionen gleichzeitig ausführen oder steuern, so auch PD-Stack, Echtzeit-Power-Balancing zwischen den USB-Ports und das Wärmeverhalten durch Stromdrosselung zwischen verschiedenen Power Banks (Bild 2).

Alle Kompromisse innerhalb eines Systems berücksichtigen

Im Gegensatz dazu müssen USB-Power-Delivery-Lösungen, die für jeden Port konzipiert sind, eine separate Steuerfunktion enthalten – meist in einer diskreten MCU, um Leistungsabgleich, Leistungsdrosselung und die Temperaturregelung durchzuführen. Daher enthalten die Smart-Hub-Familien von Microchip seit jeher eine MCU, da sie diese Funktionen mit minimalen bis keinen zusätzlichen Kosten bezüglich der Stückliste (BOM) unterstützen. Die Leistungsabgleich- und thermischen Algorithmen lassen sich plattformübergreifend migrieren oder an die jeweiligen Anforderungen eines Fahrzeugmodells abstimmen. So könnte ein Pickup-Truck ein anderes Power-Balancing-Modell haben als ein Pkw.

Mobile Schnittstellenanwendungen werden immer beliebter und erfordern zunehmend mehr Bandbreite wie auch ein schnelleres Laden, womit alle Kompromisse innerhalb eines Systems zu berücksichtigen sind. Dazu gehören die Gesamtgeschwindigkeit der benötigten USB-Technologie, die verfügbaren USB-Anschlüsse der Head Unit, die für mobile Schnittstellenanwendungen erforderliche Bandbreite, der zu liefernde Strom, die Software-/Treiberstruktur samt Pflegeaufwand sowie die Gesamtsystemkosten und die Markteinführungszeit.

Microchip bietet eine Reihe Automotive-tauglicher USB-Smart-Hub-Bausteine, die USB 2.0 Hi-Speed und USB 3.1 Super-Speed umfassen. In diesen ICs steckt ein einheitlicher Funktionssatz mit den üblichen Funktionen, damit sich Systeme so auslegen lassen, dass sie den Anforderungen der Entwickler entsprechen. Zudem bieten sie Migrationspfade, die das Designrisiko und die Markteinführungszeit für die Weiterentwicklung von Infotainment-Ökosysteme minimieren.

(jwa)