Pourquoi l'USB a-t-il Vcc = 5V et haut = 3,3V?

Je pense à ajouter le support USB à un de mes appareils utilisant V-USB. D'après ce que j'ai lu là-bas et sur d'autres sites, l'USB semble n'avoir que 3,3 V comme niveau élevé sur les broches de données, tandis que la tension fournie par l'USB est de 5 V.

Quelle en est la raison? Pour moi, cela ne fait que compliquer les choses, car de cette façon, je dois travailler avec plusieurs tensions sur la carte ou réduire complètement le Vcc à 3,3 V.

Les lignes de données sur USB basse vitesse ont une tension de signal différentielle de la caractéristique suivante pour l'émetteur: -

Sur les appareils à basse et pleine vitesse, un différentiel '1' est transmis en tirant D + sur 2,8 V avec une résistance de 15K ohms tirée à la masse et D- sous 0,3V avec une résistance de 1,5K ohm tirée sur 3,6V. Un «0» différentiel, d'autre part, est un D- supérieur à 2,8 V et un D + inférieur à 0,3 V avec les mêmes résistances d'abaissement / élévation appropriées.

Et pour le récepteur, la spécification est: -

Le récepteur définit un différentiel «1» comme D + 200mV supérieur à D- et un différentiel «0» comme D + 200mV inférieur à D-.

Informations tirées d' ici et notez que là où il est écrit 3V6, cela signifie en fait 3V3.

Pour les systèmes USB haute vitesse, les niveaux de tension sont plus faibles: -

Comme vous pouvez probablement le constater, les niveaux logiques de transmission n'ont rien à voir avec les systèmes logiques 5V ou 3V3. L'alimentation est juste une alimentation régulière qui rend la compatibilité avec les systèmes 5V et 3V3 assez facile.

La tension plus élevée permet de compenser la chute de tension de l'appareil. Si l'USB était de 3,3 V, alors si vous aviez un long câble et de mauvais connecteurs avec une chute de 0,5 V, l'appareil ne fonctionnera qu'à 2,8 V. Si la tension est de 5 V, vous avez encore 4,5 V pour travailler et cela suffit pour faire fonctionner un régulateur de tension LDO.

La tension de 5 V sur les broches d'alimentation n'est qu'une alimentation pour un appareil qui a besoin d'énergie. Au moment où l'USB a été introduit, les appareils 5 V et 3,3 V étaient courants et l'objectif était de prendre en charge les deux systèmes. Il y a (au moins) deux avantages à utiliser 5V comme tension d'alimentation au lieu de 3,3V:

• Pour les appareils qui nécessitent une puissance plus élevée (par exemple un disque dur externe), l'utilisation d'une tension plus élevée au même courant d'alimentation produit plus de puissance. L'utilisation de 3,3 V comme tension d'alimentation et l'augmentation du courant ne seraient pas aussi bonnes, car cela nécessiterait un fil plus épais pour transmettre.
• Dans le cas d'un appareil à faible consommation de 3,3 V, il est beaucoup plus simple, moins cher et plus efficace de réguler 3,3 V à partir de 5 V à l'aide d'un LDO simple que vice versa. Ce dernier nécessiterait un convertisseur boost de mode de commutation qui est plus complexe.

Le cas des broches de données sert également à prendre en charge les appareils 3,3 V et 5 V aussi simplement que possible. L'entrée / sortie d'un appareil 5 V peut être conçue pour interpréter et produire 3,3 V max. aussi haut niveau. La norme TTL vieille de plusieurs décennies ne nécessitait déjà que 2,4 V comme niveau élevé, donc en théorie, elle est compatible 3,3 V (en entrée).

En revanche, si le bus de données était choisi pour fonctionner à des niveaux de 5 V, cela causerait des problèmes pour les appareils de 3,3 V. Bien qu'une entrée puisse être facilement faite pour être tolérante à 5V, sur une sortie, il n'est pas possible de produire 5V en utilisant une seule tension d'alimentation. Il nécessite un décalage de niveau (intégré ou externe) et les deux tensions d'alimentation. C'est par tous les moyens plus compliqué que le précédent, surtout sur les bus bidirectionnels comme l'USB.

Un facteur principal lors de la détermination des niveaux de tension pour un bus différentiel est la consommation d'énergie. Plus la tension / le débit binaire est élevé, plus la consommation électrique est élevée (cela devrait être évident pour le lecteur). En particulier, la consommation d'énergie est amplifiée lorsque vous avez des signaux à très haute vitesse ou plusieurs points de charge. Si vous pensez au même problème dans l'autre sens, un niveau de tension plus élevé sera plus difficile à atteindre du point de vue du conducteur, ce qui limitera la vitesse de transmission. La conduite en mode courant (qui garantit la vitesse) utilisée dans de nombreux bus modernes, USB inclus, permet des oscillations de tension plus faibles sur les lignes de données.

Sur une autre note, des réflexions ou des imperfections de signalisation entraîneront des dépassements / sous-dépassements. Si vous avez déjà une tension intrinsèquement élevée sur le bus, les transitoires superposés (et de puissance supérieure) peuvent ne pas être tolérés par l'appareil. Ce pouvoir va également en vain. Le cas extrême de ce phénomène est lorsque vous déconnectez l'antenne d'un émetteur RF. Si vous avez suffisamment de puissance dans l'émetteur, vous mettrez en danger la radio. Vous pouvez également prendre en compte d'autres facteurs, comme l'EMI. Que diriez-vous de la chaleur dissipée dans la terminaison? Pour un Z0 donné, plus de volatilité, plus de chaleur.

C'est pourquoi l'USB basse / pleine vitesse utilise 3,3 V, USB 2.0 et plus tard, utilise le 800 / 400mv encore plus bas. Nous voulons généralement appliquer la tension la plus basse qui convient à l'interface spécifique. N'oubliez pas que de nombreuses interfaces haute vitesse (telles que Ethernet, CAN, HDMI, PCI, LVDS et bien d'autres) utilisent toutes des signaux basse tension dans le même niveau.

L'autre raison peut être la confiance du bon fonctionnement de la connexion. Une plus grande plage est plus puissante contre le bruit (car a besoin de bruit avec une tension plus élevée pour changer l'état du bit).