Почему USB имеет Vcc = 5 В и высокий = 3,3 В?

Я думаю о добавлении поддержки USB на мое устройство, использующее V-USB. Из того, что я читал там и на других сайтах, похоже, что USB имеет высокий уровень 3,3 В на выводах данных, тогда как напряжение, подаваемое через USB, составляет 5 В.

В чем причина этого? Мне кажется, это только усложняет ситуацию, так как таким образом мне нужно работать с несколькими напряжениями на плате или полностью снизить Vcc до 3.3В.

Линии передачи данных по низкоскоростному USB имеют дифференциальное напряжение сигнала следующей характеристики для передатчика:

На низкоскоростных и полноскоростных устройствах дифференциал «1» передается путем напряжения D + более 2,8 В с резистором 15 кОм, поднятым на землю, и D - ниже 0,3 В с резистором 1,5 кОм, поднятым до 3,6 В. Дифференциал «0», с другой стороны, имеет D- более 2,8 В и D + менее 0,3 В с такими же соответствующими резисторами понижающего / повышающего напряжения.

И для приемника спецификация:

Приемник определяет дифференциал «1» как D + 200 мВ больше, чем D-, а дифференциал «0» как D + 200 мВ меньше, чем D-.

Информация взята отсюда и обратите внимание, что там, где написано 3V6, это на самом деле означает 3V3.

Для высокоскоростных систем USB уровни напряжения меньше: -

Как вы, вероятно, можете сказать, логические уровни передачи не имеют никакого отношения к логическим системам 5 В или 3 В 3. Блок питания - это обычный блок питания, который делает совместимость с системами 5 В и 3 В 3 довольно простой.

Более высокое напряжение позволяет компенсировать падение напряжения на устройстве. Если USB был 3,3 В, то если у вас длинный кабель и плохие разъемы с 0,5 В перепада напряжения, устройство будет работать только при 2,8 В. Если напряжение 5 В, у вас еще есть 4,5 В для работы, и этого достаточно для запуска стабилизатора напряжения LDO.

Напряжение 5 В на контактах питания - это просто питание для устройства, которому требуется питание. В то время, когда USB был представлен, устройства с напряжением 5 В и 3,3 В были распространены, и целью было поддерживать обе системы. Существует (как минимум) два преимущества использования 5 В в качестве напряжения питания вместо 3,3 В:

• Для устройств, которым требуется более высокая мощность (например, внешний жесткий диск), использование более высокого напряжения при одинаковом токе питания дает большую мощность. Использование 3,3 В в качестве напряжения питания и увеличение тока не будут одинаково хороши, так как для передачи потребуется более толстый провод.
• В случае устройства с низким напряжением 3,3 В гораздо проще, дешевле и эффективнее регулировать 3,3 В с 5 В с помощью простого LDO, чем наоборот. Последнее потребовало бы повышающего преобразователя режима переключения, который является более сложным.

Корпус для выводов данных также предназначен для максимально простой поддержки устройств 3.3 В и 5 В. Устройство ввода / вывода 5 В может быть спроектировано для интерпретации и вывода макс. как высокий уровень. Третий стандарт TTL уже требовал только 2,4 В в качестве высокого уровня, поэтому теоретически совместим с 3,3 В (как вход).

Напротив, если шина данных будет выбрана для работы на уровнях 5 В, это вызовет проблемы для устройств 3,3 В. Хотя вход можно легко сделать так, чтобы он был допущен к напряжению 5 В, на выходе невозможно вывести напряжение 5 В, используя одно напряжение питания. Требуется сдвиг уровня (встроенный или внешний) и оба напряжения питания. Это, безусловно, сложнее, чем предыдущий, особенно на двунаправленной шине, такой как USB.

Основным фактором при определении уровней напряжения для дифференциальной шины является энергопотребление. Чем выше напряжение / битрейт, тем выше энергопотребление (это должно быть очевидно для читателя). В частности, энергопотребление усиливается, когда у вас очень высокоскоростные сигналы или несколько точек нагрузки. Если вы подумаете о той же проблеме в другом направлении, с точки зрения водителя будет сложнее достичь более высокого уровня напряжения, что ограничит скорость передачи. Текущий режим управления (который обеспечивает скорость), используемый во многих современных шинах, включая USB, позволяет снизить колебания напряжения на линиях передачи данных.

С другой стороны, отражения или дефекты сигнализации приведут к чрезмерным / недостаточным выбросам. Если у вас уже есть внутренне высокое напряжение на шине, наложенные (и более высокие мощности) переходные процессы могут быть недопустимыми для устройства. Эта сила также идет напрасно. Крайний случай этого явления - когда вы отключаете антенну от радиочастотного передатчика. Если у вас достаточно мощности в передатчике, вы поставите под угрозу радио. Вы можете принять во внимание и другие факторы, такие как EMI. Как насчет рассеянного тепла в окончании? Для данного Z0 больше напряжения, больше тепла.

Вот почему на низком / полноскоростном USB используется 3,3 В, а на USB 2.0 и более поздних - еще меньше 800/400 мВ. Обычно мы хотим применить самое низкое напряжение, которое имеет смысл для конкретного интерфейса. Напомним, что многие высокоскоростные интерфейсы (такие как Ethernet, Can, HDMI, PCI, LVDS и многие другие) используют сигналы низкого напряжения на одном уровне.

Другой причиной может быть уверенность в правильной работе соединения. Большой диапазон более эффективен против шума (потому что для изменения состояния бита необходим шум с более высоким напряжением).