Mengapa USB memiliki Vcc = 5V dan tinggi = 3.3V?

Saya sedang berpikir tentang menambahkan dukungan USB ke perangkat saya menggunakan V-USB. Dari apa yang saya baca di sana dan di situs lain USB tampaknya hanya memiliki 3.3V sebagai tingkat tinggi pada pin data, sedangkan tegangan yang disediakan oleh USB adalah 5V.

Apa alasan di balik itu? Bagi saya sepertinya hanya membuat hal-hal lebih rumit karena cara itu saya perlu bekerja dengan beberapa voltase di papan tulis atau sepenuhnya mundur dari Vcc ke 3.3V.

Jalur data pada USB kecepatan rendah memiliki tegangan sinyal diferensial dengan karakteristik berikut untuk pemancar: -

Pada perangkat kecepatan rendah dan penuh, diferensial '1' ditransmisikan dengan menarik D + lebih dari 2.8V dengan resistor 15K ohm ditarik ke ground dan D- di bawah 0.3V dengan resistor 1.5K ohm ditarik ke 3.6V. Diferensial '0' di sisi lain adalah D- lebih besar dari 2.8V dan D + kurang dari 0.3V dengan resistor pull-down / up yang sesuai.

Dan untuk penerima, spesifikasinya adalah: -

Penerima mendefinisikan diferensial '1' sebagai D + 200mV lebih besar dari D- dan diferensial '0' sebagai D + 200mV kurang dari D-.

Informasi diambil dari sini dan perhatikan bahwa di mana dikatakan 3V6 sebenarnya berarti 3V3.

Untuk sistem USB kecepatan tinggi, level tegangannya lebih kecil: -

Seperti yang Anda mungkin tahu level logika pengiriman tidak ada hubungannya dengan sistem logika 5V atau 3V3. Umpan daya hanyalah umpan daya biasa yang membuat kompatibilitas dengan sistem 5V dan 3V3 cukup mudah.

Tegangan yang lebih tinggi memungkinkan kompensasi untuk penurunan tegangan ke perangkat. Jika USB 3.3V maka jika Anda memiliki kabel yang panjang dan konektor yang buruk dengan 0,5v drop maka perangkat hanya akan berjalan pada 2,8V. Jika tegangan 5v, Anda masih memiliki 4,5v untuk bekerja dan itu sudah cukup untuk menjalankan regulator tegangan LDO.

Tegangan 5V pada pin daya hanyalah umpan daya untuk perangkat yang membutuhkan daya. Pada saat itu USB diperkenalkan baik perangkat 5V dan 3.3V adalah umum dan tujuannya adalah untuk mendukung kedua sistem. Ada (setidaknya) dua keuntungan menggunakan 5V sebagai tegangan catu daya daripada 3.3V:

• Untuk perangkat yang membutuhkan daya lebih tinggi (mis. HDD eksternal) menggunakan tegangan yang lebih tinggi pada arus pasokan yang sama menghasilkan lebih banyak daya. Menggunakan 3.3V sebagai tegangan suplai dan meningkatkan arus tidak akan sama baiknya, karena akan membutuhkan kawat yang lebih tebal untuk ditransmisikan.
• Dalam hal perangkat berdaya rendah 3.3V, jauh lebih sederhana, lebih murah dan lebih efisien untuk mengatur 3.3V dari 5V menggunakan LDO sederhana daripada vica versa. Yang terakhir akan membutuhkan konverter boost boost mode yang lebih kompleks.

Kasing data juga untuk mendukung perangkat 3.3V dan 5V sesederhana mungkin. Input / output perangkat 5V dapat dirancang untuk menafsirkan dan menghasilkan 3,3V maks. tingkat tinggi. Standar TTL yang sudah berumur beberapa dekade sudah hanya membutuhkan 2.4V sebagai level tinggi, sehingga secara teori kompatibel dengan 3.3V (sebagai input).

Sebaliknya, jika bus data akan dipilih untuk beroperasi pada level 5V, itu akan menyebabkan masalah bagi perangkat 3.3V. Meskipun input dapat dengan mudah dibuat menjadi toleran 5V, pada output tidak mungkin untuk output 5V menggunakan tegangan suplai tunggal. Ini membutuhkan level shifter (built-in atau eksternal) dan keduanya memasok tegangan. Ini tentu saja lebih rumit dari yang sebelumnya, terutama pada bus dua arah seperti USB.

Faktor utama ketika menentukan level tegangan untuk bus diferensial adalah konsumsi daya. Semakin tinggi tingkat voltase / bit, semakin tinggi konsumsi daya (ini harus jelas bagi pembaca). Khususnya, konsumsi daya diperkuat ketika Anda memiliki sinyal kecepatan sangat tinggi, atau beberapa titik beban. Jika Anda memikirkan masalah yang sama di arah lain, level tegangan yang lebih tinggi akan lebih sulit dicapai dari perspektif pengemudi sehingga akan membatasi kecepatan transmisi. Mode mengemudi saat ini (yang menjamin kecepatan) yang digunakan di banyak bus modern, termasuk USB, memungkinkan perubahan tegangan yang lebih rendah pada jalur data.

Pada catatan lain, refleksi atau ketidaksempurnaan pensinyalan akan menghasilkan over / undershoots. Jika Anda sudah memiliki tegangan intrinsik yang tinggi pada bus, transien yang ditumpangkan (dan daya lebih tinggi) mungkin tidak dapat ditoleransi oleh perangkat. Kekuatan itu juga sia-sia. Kasus ekstrem dari fenomena ini adalah ketika Anda melepaskan antena dari pemancar RF. Jika Anda memiliki daya yang cukup dalam pemancar, Anda akan membahayakan radio. Anda dapat mempertimbangkan faktor-faktor lain, seperti EMI, juga. Bagaimana dengan panas yang hilang dalam pemutusan hubungan kerja? Untuk Z0 yang diberikan lebih banyak volatge, lebih banyak panas.

Itulah sebabnya USB kecepatan Rendah / Penuh menggunakan 3.3V, USB 2.0 dan yang lebih baru menggunakan 800 / 400mv yang lebih rendah. Kami biasanya ingin menerapkan tegangan terendah yang masuk akal untuk antarmuka spesifik. Ingatlah bahwa banyak antarmuka kecepatan tinggi (seperti ethernet, can, HDMI, pci, lvds, dan banyak lagi) semuanya menggunakan sinyal tegangan rendah di tingkat yang sama.

Alasan lainnya adalah kepercayaan koneksi berfungsi dengan benar. Rentang yang lebih besar lebih kuat terhadap noise (Karena membutuhkan noise dengan tegangan lebih tinggi untuk mengubah keadaan bit).