Tại sao USB có Vcc = 5V và cao = 3,3V?

Tôi đang suy nghĩ về việc thêm hỗ trợ USB cho thiết bị của mình bằng V-USB. Từ những gì tôi đọc được ở đó và trên các trang web khác, USB dường như chỉ có 3,3V ở mức cao trên các chân dữ liệu, trong khi điện áp được cung cấp bởi USB là 5V.

Lý do đằng sau đó là gì? Đối với tôi dường như chỉ làm cho mọi thứ trở nên phức tạp hơn vì cách đó tôi cần phải làm việc với nhiều điện áp trên bảng hoặc hoàn toàn hạ Vcc xuống 3,3V.

Các đường dữ liệu trên USB tốc độ thấp có điện áp tín hiệu vi sai có đặc tính sau cho máy phát: -

Trên các thiết bị tốc độ thấp và đầy đủ, vi sai '1' được truyền bằng cách kéo D + trên 2,8V với điện trở 15K ohm được kéo xuống đất và D- dưới 0,3V với điện trở 1,5K ohm được kéo lên 3,6V. Mặt khác, một vi sai '0' là D- lớn hơn 2,8V và D + nhỏ hơn 0,3V với cùng một điện trở kéo xuống / lên thích hợp.

Và đối với người nhận, thông số kỹ thuật là: -

Máy thu xác định chênh lệch '1' là D + 200mV lớn hơn D- và chênh lệch '0' khi D + 200mV nhỏ hơn D-.

Thông tin được lấy từ đây và lưu ý rằng trong đó có ghi 3V6, nó thực sự có nghĩa là 3V3.

Đối với hệ thống USB tốc độ cao, các mức điện áp nhỏ hơn: -

Như bạn có thể nói các mức logic truyền không có gì thực sự phải làm với các hệ thống logic 5V hoặc 3V3. Nguồn cấp điện chỉ là nguồn cấp điện thông thường giúp khả năng tương thích với hệ thống 5V và 3V3 khá dễ dàng.

Điện áp cao hơn cho phép bù điện áp rơi vào thiết bị. Nếu USB là 3,3v thì nếu bạn có cáp dài và đầu nối kém với mức giảm 0,5v thì thiết bị sẽ chỉ chạy ở mức 2,8v. Nếu điện áp là 5v thì bạn vẫn có 4,5v để làm việc và điều đó đủ để chạy bộ điều chỉnh điện áp LDO.

Điện áp 5V trên chân nguồn chỉ là nguồn cấp điện cho thiết bị cần nguồn điện. Tại thời điểm USB được giới thiệu, cả hai thiết bị 5V và 3.3V đều phổ biến và mục tiêu là hỗ trợ cả hai hệ thống. Có (ít nhất) hai lợi thế của việc sử dụng 5V làm điện áp nguồn thay vì 3,3V:

• Đối với các thiết bị cần công suất cao hơn (ví dụ: ổ cứng gắn ngoài) sử dụng điện áp cao hơn ở cùng nguồn cung cấp sẽ mang lại nhiều năng lượng hơn. Sử dụng 3,3V làm điện áp cung cấp và tăng dòng điện sẽ không tốt như nhau, vì nó sẽ yêu cầu dây dày hơn để truyền tải.
• Trong trường hợp thiết bị có công suất thấp 3,3V, việc điều chỉnh 3,3V từ 5V bằng cách sử dụng LDO đơn giản so với vica thì đơn giản hơn nhiều, rẻ hơn và hiệu quả hơn. Cái sau sẽ yêu cầu một bộ chuyển đổi tăng cường chế độ chuyển đổi phức tạp hơn.

Trường hợp cho các chân dữ liệu cũng là để hỗ trợ cả hai thiết bị 3.3V và 5V đơn giản nhất có thể. Đầu vào / đầu ra của thiết bị 5V có thể được thiết kế để diễn giải và đầu ra tối đa 3,3V. càng cao cấp. Tiêu chuẩn TTL hàng thập kỷ đã chỉ yêu cầu 2,4V ở mức cao, vì vậy về mặt lý thuyết là tương thích 3,3V (làm đầu vào).

Ngược lại, nếu bus dữ liệu được chọn để hoạt động ở mức 5V, nó sẽ gây ra sự cố cho các thiết bị 3.3V. Mặc dù đầu vào có thể dễ dàng được thực hiện để có khả năng chịu được 5V, nhưng trên đầu ra, không thể xuất ra 5V bằng điện áp cung cấp đơn. Nó đòi hỏi một bộ dịch mức (tích hợp hoặc bên ngoài) và cả hai điện áp cung cấp. Nó hoàn toàn phức tạp hơn trước, đặc biệt là trên xe buýt hai chiều như USB.

Một yếu tố chính khi xác định mức điện áp cho một bus vi sai là mức tiêu thụ điện. Tốc độ điện áp / bit càng cao thì mức tiêu thụ điện càng cao (điều này là hiển nhiên đối với người đọc). Cụ thể, mức tiêu thụ năng lượng được khuếch đại khi bạn có tín hiệu tốc độ rất cao, hoặc nhiều điểm tải. Nếu bạn nghĩ về cùng một vấn đề theo hướng khác, mức điện áp cao hơn sẽ khó đạt được hơn từ góc độ người lái, do đó sẽ hạn chế tốc độ truyền. Chế độ lái hiện tại (đảm bảo tốc độ) được sử dụng trong nhiều xe buýt hiện đại, bao gồm USB, cho phép dao động điện áp thấp hơn trên các đường dữ liệu.

Trên một lưu ý khác, sự phản xạ hoặc sự không hoàn hảo báo hiệu sẽ dẫn đến kết quả trên / dưới. Nếu bạn đã có một điện áp cao thực chất trên xe buýt, các quá độ chồng chất (và công suất cao hơn) có thể không được thiết bị chấp nhận. Sức mạnh đó cũng vô ích. Trường hợp cực đoan của hiện tượng này là khi bạn ngắt kết nối ăng-ten khỏi máy phát RF. Nếu bạn có đủ năng lượng trong máy phát, bạn sẽ gây nguy hiểm cho radio. Bạn cũng có thể cân nhắc các yếu tố khác, như EMI. Làm thế nào về nhiệt tan trong chấm dứt? Đối với một Z0 cho nhiều bay hơi hơn, nhiều nhiệt hơn.

Đó là lý do tại sao USB tốc độ thấp / đầy đủ sử dụng 3,3V, USB 2.0 và sau đó sử dụng 800 / 400mv thậm chí thấp hơn. Chúng ta thường muốn áp dụng điện áp thấp nhất có ý nghĩa cho giao diện cụ thể. Xin lưu ý rằng nhiều giao diện tốc độ cao (như ethernet, can, hdmi, pci, lvds và nhiều thứ khác) đều sử dụng tín hiệu điện áp thấp trong cùng một tầng.

Lý do khác có thể là sự tự tin của kết nối hoạt động chính xác. Phạm vi lớn hơn mạnh hơn chống nhiễu (Vì cần nhiễu với điện áp cao hơn để thay đổi trạng thái của bit).