Perché USB ha Vcc = 5 V e alto = 3,3 V?

Sto pensando di aggiungere il supporto USB a un mio dispositivo tramite V-USB. Da quello che ho letto lì e su altri siti USB sembra avere solo 3,3 V come un livello elevato sui pin dei dati, mentre la tensione fornita da USB è di 5 V.

Qual è la ragione dietro questo? A me sembra solo rendere le cose più complicate poiché in quel modo ho bisogno di lavorare con più tensioni sulla scheda o scendere completamente il Vcc a 3,3 V.

Le linee dati su USB a bassa velocità hanno una tensione di segnale differenziale delle seguenti caratteristiche per il trasmettitore: -

Sui dispositivi a bassa e piena velocità, un '1' differenziale viene trasmesso tirando D + oltre 2,8 V con una resistenza da 15 K ohm tirata a terra e D - sotto 0,3 V con una resistenza da 1,5 K ohm tirata a 3,6 V. Uno '0' differenziale invece è un D- maggiore di 2,8 V e un D + inferiore a 0,3 V con le stesse resistenze pull down / up appropriate.

E per il ricevitore le specifiche sono: -

Il ricevitore definisce un differenziale '1' come D + 200mV maggiore di D- e un differenziale '0' come D + 200mV inferiore a D-.

Informazioni prese da qui e notare che dove dice 3V6 significa in realtà 3V3.

Per i sistemi USB ad alta velocità i livelli di tensione sono più piccoli: -

Come probabilmente puoi dire, i livelli logici di trasmissione non hanno nulla a che fare con i sistemi logici 5V o 3V3. L'alimentazione è solo una normale alimentazione che rende abbastanza semplice la compatibilità con i sistemi 5V e 3V3.

La tensione più alta consente di compensare la caduta di tensione sul dispositivo. Se l'USB era a 3,3 V, quindi se si disponeva di un cavo lungo e connettori scadenti con 0,5 V di caduta, il dispositivo funzionerà solo a 2,8 V. Se la tensione è 5v, hai ancora 4.5v con cui lavorare e questo è sufficiente per far funzionare un regolatore di tensione LDO.

La tensione di 5 V sui pin di alimentazione è solo un'alimentazione per un dispositivo che necessita di alimentazione. All'epoca in cui era stato introdotto l'USB erano comuni sia i dispositivi 5V che 3,3V e l'obiettivo era supportare entrambi i sistemi. Ci sono (almeno) due vantaggi dell'utilizzo di 5 V come tensione di alimentazione anziché 3,3 V:

• Per i dispositivi che richiedono una potenza maggiore (ad es. HDD esterno) l'uso di una tensione maggiore alla stessa corrente di alimentazione produce più potenza. L'uso di 3,3 V come tensione di alimentazione e l'aumento della corrente non sarebbe altrettanto buono, poiché richiederebbe un filo più spesso per trasmettere.
• Nel caso di un dispositivo a bassa potenza da 3,3 V, è molto più semplice, economico ed efficiente regolare 3,3 V da 5 V utilizzando un LDO semplice rispetto a Vica. Quest'ultimo richiederebbe un convertitore boost in modalità switch che è più complesso.

La custodia dei pin di dati serve anche a supportare i dispositivi a 3,3 e 5 V nel modo più semplice possibile. L'ingresso / uscita di un dispositivo a 5 V può essere progettato per interpretare e produrre 3,3 V max. di alto livello. Il decennale standard TTL richiedeva già solo 2,4 V come livello alto, quindi in teoria sono compatibili 3,3 V (come input).

Al contrario, se il bus dati fosse scelto per funzionare a livelli di 5 V, causerebbe problemi ai dispositivi a 3,3 V. Sebbene un ingresso possa essere facilmente reso tollerante a 5 V, su un'uscita non è possibile emettere 5 V utilizzando una singola tensione di alimentazione. Richiede un cambio di livello (incorporato o esterno) ed entrambe le tensioni di alimentazione. È sicuramente più complicato del precedente, specialmente su bus bidirezionali come l'USB.

Un fattore primario nella determinazione dei livelli di tensione per un bus differenziale è il consumo di energia. Maggiore è la tensione / bit rate, maggiore è il consumo di energia (questo dovrebbe essere ovvio per il lettore). In particolare, il consumo energetico viene amplificato quando si hanno segnali di velocità molto elevata o più punti di carico. Se si pensa allo stesso problema nell'altra direzione, un livello di tensione più elevato sarà più difficile da raggiungere dal punto di vista del conducente, limitando così la velocità di trasmissione. La guida in modalità corrente (che garantisce la velocità) utilizzata in molti bus moderni, incluso USB, consente oscillazioni di tensione inferiori sulle linee dati.

In un'altra nota, le riflessioni o le imperfezioni di segnalazione comporteranno over / undershoots. Se sul bus è già presente una tensione intrinsecamente alta, i transitori sovrapposti (e di potenza superiore) potrebbero non essere tollerabili dal dispositivo. Anche quel potere va invano. Il caso estremo di questo fenomeno è quando si scollega l'antenna da un trasmettitore RF. Se la potenza del trasmettitore è sufficiente, la radio verrà messa a repentaglio. Puoi prendere in considerazione anche altri fattori, come l'IME. Che ne dici del calore dissapato in chiusura? Per un dato Z0 più volatge, più calore.

Questo è il motivo per cui l'USB a bassa / piena velocità utilizza 3.3V, USB 2.0 e successivamente utilizza anche 800 / 400mv ancora più bassi. Di solito vogliamo applicare la tensione più bassa che ha senso per l'interfaccia specifica. Si ricorda che molte interfacce ad alta velocità (come ethernet, can, hdmi, pci, lvds e molte altre) usano tutti segnali a bassa tensione nello stesso livello.

L'altro motivo può essere la fiducia del corretto funzionamento della connessione. Una gamma più ampia è più potente contro il rumore (perché ha bisogno di un rumore con una tensione più alta per cambiare lo stato del bit).