Ce qu'il faut savoir sur les prises USB 3.2 Gen2 et USB4 à montage sur carte

Ma première rencontre avec un connecteur USB Type-C (USB-C) a été une expérience merveilleuse. Après des années à essayer d'insérer une fiche de connecteur USB-A dans la prise homologue pour finir par découvrir que la fiche était à l'envers, j'avais trouvé un connecteur USB qui se raccordait quel que soit le sens de la fiche. Et il ne s'agit là que de l'une des merveilles que j'associe désormais aux connecteurs USB-C. Ce type de connecteur peut également partager l'alimentation et plusieurs protocoles de données et d'affichage à des débits jusqu'à 40 gigabits par seconde (Gbps) tout en respectant les exigences d'intégrité des signaux et d'interférences électromagnétiques (EMI).

Lors de l'implémentation de connexions USB-C sur des circuits imprimés, les concepteurs doivent constamment économiser de l'espace tout en garantissant des connexions fiables. Les prises USB-C de Stewart Connector sont conçues pour répondre à ces exigences souvent contradictoires. Les prises conformes aux spécifications USB 3.2 Gen2 (anciennement USB 3.1) (à gauche) ou USB4 (à droite) sont illustrées à la Figure 1.

Figure 1 : Prises de circuit imprimé USB-C pour USB 3.2 Gen2 (à gauche) et USB4 (à droite). (Source de l'image : Stewart Connector)

Les prises à angle droit sont blindées et rétrocompatibles avec les versions USB plus anciennes fonctionnant à des vitesses inférieures. Les prises SS-52400-002 et SS-52400-003 sont conformes à la norme USB 3.2 Gen2 et conviennent aux cartes d'une épaisseur de 1 millimètre (mm) et 1,60 mm, respectivement. La prise SS-52400-005 est conforme à la norme USB4 et convient aux cartes d'une épaisseur de 1,20 mm.

Comme indiqué précédemment, les fiches et prises USB-C sont réversibles. Les contacts sont disposés de manière à se raccorder dans les deux orientations mâle et femelle. Les connecteurs fournissent l'alimentation, le transfert de données et la sortie audio/vidéo conformément à la norme USB Power Delivery (USB PD), et ce, dans un seul dispositif. L'affectation des signaux dans les prises USB-C est illustrée à la Figure 2.

Figure 2 : Affectation des signaux dans les prises USB-C. (Source de l'image : Stewart Connector)

De nombreux signaux sont disponibles dans un connecteur USB-C pour le transfert de données et d'alimentation, comme le montre le Tableau 1.

Tableau 1 : Les connecteurs USB-C prennent en charge la distribution d'alimentation, des modes de données alternatifs et des modes de compatibilité USB. (Source du tableau : Art Pini)

L'USB PD est une spécification intelligente de distribution d'alimentation. Cette spécification utilise les lignes de configuration des canaux (CC) pour négocier les contrats de puissance entre la source et le récepteur (charge). Les niveaux de tension peuvent être supérieurs à 5 volts (V) et les alimentations programmables sont autorisées.

Les prises USB 3.2 Gen2 SS-52400-002 et SS-52400-003 de Stewart Connector prennent en charge une puissance maximum de 100 watts (W) à 20 V et 5 ampères (A). La prise USB4 SS-52400-005 est conçue pour une puissance de 140 W à 20 V et 7 A. Toutes les prises USB-C ont une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C.

Une fois que la spécification USB PD a établi le contrat de puissance entre les dispositifs, elle lance des liaisons de données en mode alternatif comme DisplayPort (DP) à l'aide VDM (Vendor Defined Messages). Ensuite, DP procède à la formation des liaisons afin d'établir la relation entre une source DP et un récepteur, et de garantir une connexion robuste pour diffuser en continu les données comme la vidéo ou l'audio. Les signaux DP auxiliaires (AUX) utilisent les broches de signal SBU (SBU1 et SBU2). Le canal AUX assure la gestion des liaisons et le contrôle du mode de test. Les lignes SuperSpeed SSTx1, SSTx2, SSRx1 et SSRx2 forment des chemins de données différentiels pour fournir des liaisons de données haute vitesse. Les lignes Dp et Dn dédiées maintiennent la compatibilité avec les normes USB plus anciennes (USB 2 et versions antérieures).

La spécification USB PD ne sert pas seulement à fournir l'alimentation ; elle synchronise également les différents protocoles utilisés en mode alternatif. Les protocoles de données série pris en charge sont Thunderbolt, DisplayPort, High-Definition Multimedia Interface (HDMI) et Mobile High-Definition Link (MHL). Des interfaces supplémentaires peuvent facilement être ajoutées à l'aide de VDM.

La conception mince des prises USB-C de Stewart Connector apporte une valeur ajoutée en optimisant l'utilisation de l'espace disponible sur le circuit imprimé. Les prises ont une conception hybride qui utilise des broches à montage traversant et à montage en surface pour se connecter aux couches supérieure et inférieure du circuit imprimé. Côté fabrication, les prises USB-C sont conditionnées en bande et en bobine pour des opérations d'assemblage automatisé.

Conclusion

Aussi exaltant que cela puisse être d'avoir des connecteurs réversibles, il est évident que l'USB-C ne se limite pas à cela. Cette norme fournit un connecteur standard pour différents protocoles audio, vidéo, de stockage de données et de communication. Elle permet également de prendre en compte les normes nouvelles et émergentes au fur et à mesure de leur développement. Les solutions de Stewart Connector permettent de répondre aux besoins des concepteurs en garantissant des connexions USB-C fiables et compactes sur les circuits imprimés.