USB-C en SuperSpeed: een praktische introductie
USB-C is geen snelheid. Het is een 24-pins connector met twee rollen, een protocol voor stroomonderhandeling en — optioneel — twee extra hogesnelheidsparen. Die door elkaar halen is de gebruikelijke eerste fout.
Kort antwoord
- Connector: 24 pinnen in twee gespiegelde rijen; de kabel werkt in beide oriëntaties.
- Rollen: CC-pinnen en een 5.1 kΩ pull-down (sink) of een pull-up (source) bepalen wie wie van stroom voorziet.
- Vermogen: standaard 5 V; USB PD verhoogt dit naar 20 V / 5 A (100 W), en EPR naar 48 V / 5 A (240 W).
- Snelheid: SuperSpeed-paren staan los van D+/D−; 85 Ω differentieel, 100 nF AC-koppeling op TX.
1. De connector
De 24 pinnen vallen uiteen in vier groepen: voeding (VBUS/GND), USB 2.0 (D+/D−), configuratie (CC1/CC2) en SuperSpeed (TX/RX-paren, plus SBU voor alternatieve modi). Door de spiegeling moet de host beide oriëntaties aankunnen — meestal met een op CC gebaseerde mux, of door beide rijen samen te bedraden waar de standaard dat toestaat.
Twee praktische gevolgen van de spiegeling. Ten eerste kunnen USB 2.0 D+/D− meestal over de twee rijen worden doorverbonden, omdat slechts één paar tegelijk actief is en het protocol de stub tolereert. Ten tweede kan SuperSpeed niet worden doorverbonden: de TX- en RX-paren verwisselen wanneer de stekker wordt omgedraaid, dus is een mux (of een controller met geïntegreerde oriëntatiedetectie) vereist voor werking op volle snelheid.
Als het product alleen USB 2.0 via een USB-C-connector gebruikt, is die mux niet nodig — een van de weinige plekken waar een eenvoudiger ontwerp ook correct is.
| Pinnen | Functie | Opmerkingen |
|---|---|---|
| A4, A9, B4, B9 | VBUS | Four pins, up to 5 A with an e-marked cable |
| A1, A12, B1, B12 | GND | Return and shield reference |
| A5, B5 | CC1, CC2 | Role detection and PD communication |
| A6, A7, B6, B7 | D+, D− | USB 2.0, 90 Ω pair |
| A2/A3, A10/A11, B2/B3, B10/B11 | SSTX / SSRX | SuperSpeed, 85 Ω pairs |
| A8, B8 | SBU1, SBU2 | Alternate modes (DisplayPort, audio) |
2. CC-pinnen bepalen de rollen
Sink (apparaat): CCx -- 5.1 kOhm -- GND Source (lader): CCx -- Rp -- VBUS Rp 56 kOhm: standaardstroom Rp 22 kOhm: 1.5 A Rp 10 kOhm: 3 A
Als je printplaat een USB-C-aansluiting voor voeding heeft en de CC-pinnen zwevend blijven, levert een C-naar-C-kabel helemaal geen voeding. Het apparaat lijkt dood, en de lader ziet niets. Dit is de meest voorkomende USB-C-ontwerpfout, en het kost twee weerstanden om het te verhelpen.
Voor een apparaat dat zowel oplaadt als als host fungeert, is het CC-netwerk complexer: de poort moet tussen Rd en Rp schakelen, en een PD-controller regelt de onderhandeling. Lees op dat punt de datasheet van de controller in plaats van een referentieschema te kopiëren.
PD-onderhandeling verloopt over de CC-lijn als een gemoduleerd signaal, niet als een statische weerstand. De bron adverteert mogelijkheden, de sink vraagt een profiel aan, en beide zijden bevestigen voordat de spanning verandert. Als je "het laadt langzaam" debugt, kijk dan naar het onderhandelde contract, niet alleen naar de weerstanden.
3. Vermogensonderhandeling
| Modus | Spanning / stroom | Vermogen |
|---|---|---|
| Default USB | 5 V / up to 3 A | 15 W |
| USB PD | 5–20 V / up to 5 A | up to 100 W |
| PD EPR | 28–48 V / up to 5 A | up to 240 W |
Boven 3 A moet de kabel elektronisch gemarkeerd zijn, en de sink mag er niet van uitgaan dat de volledige stroom beschikbaar is totdat de onderhandeling is voltooid. Een ontwerp dat een 5 A-belasting vast op VBUS aansluit, zal ofwel een brown-out krijgen of de beveiliging laten aanspreken.
4. SuperSpeed-signalering
SuperSpeed voegt in elke richting één zendpaar en één ontvangpaar toe. Ze zijn AC-gekoppeld: 100 nF in serie op elke lijn, dicht bij de zender geplaatst. Ze zijn ook sneller en minder vergevingsgezind dan USB 2.0 — Gen 1 is 5 Gb/s, Gen 2 is 10 Gb/s, en USB4 gaat hoger.
Praktische routeringsregels: houd de paren kort, houd de lengtes binnen het paar gelijk, vermijd vias en routeer ze niet onder de connector waar het retourpad onderbroken is. Als het ontwerp alleen USB 2.0 over USB-C nodig heeft, kunnen de SuperSpeed-pinnen niet aangesloten blijven — maar ze hebben nog steeds ESD-bescherming nodig als ze op de receptacle blootliggen.
Omdat de connector omkeerbaar is, moeten de SS-lanes door de mux worden omgewisseld wanneer de stekker wordt omgedraaid. Dat betekent dat de PCB twee mogelijke mappings ziet, en de mux voegt zijn eigen capaciteit en verlies in het pad toe. Bij Gen 2 is dat deel van het linkbudget, geen bijzaak.
Signaalconditionering is ingebouwd in veel USB 3-controllers: de-emphasis aan de zenderzijde en egalisatie aan de ontvangerzijde compenseren het verlies van de PCB en de kabel. Daarom kan een link op Gen 1 werken en op Gen 2 falen op hetzelfde bord — het extra verlies bij 5 GHz overschrijdt wat de equalizer kan herstellen.
| Regel | Waarom |
|---|---|
| 85 Ω differential for SS pairs | Different target from the 90 Ω D+/D− pair |
| 100 nF AC coupling on TX | Required by the specification; one per line |
| No vias if avoidable | 5–10 Gb/s is far less tolerant than USB 2.0 |
| Continuous return under the pairs | The connector area is where planes get cut |
| ESD on CC, SBU, VBUS, D+/D− | Every exposed pin can be touched |
5. Veelvoorkomende fouten
| Fout | Symptoom | Oplossing |
|---|---|---|
| No CC pull-down | C-to-C cable gives no power | 5.1 kΩ on both CC pins |
| CC resistors on one pin only | Works one orientation, fails the other | One per CC pin (or a mux) |
| AC caps on RX side | Link training fails | Move to the TX side |
| 90 Ω routing for SS | Marginal eye, intermittent link | 85 Ω per stackup |
| No ESD on CC/SBU | PD controller dies on a zap | Protect every exposed pin |
5b. Voedingspad en bescherming
Van een USB-C-poort kan worden gevraagd 100 W te leveren of te ontvangen, en de VBUS-pin is blootgesteld aan de buitenwereld. Drie dingen volgen: bescherming op VBUS, een voedingspad dat de onderhandelde stroom aankan, en een plan voor wat er gebeurt wanneer de bron een 5 V-telefoonlader is in plaats van een 20 V-voeding.
- ESD: VBUS, CC, SBU en de dataparen moeten allemaal bij de connector worden beschermd.
- Inschakelstroom: een grote ingangscondensator lijkt een kortsluiting wanneer de kabel wordt aangesloten; gebruik een softstart of een eFuse.
- Omgekeerde spanning: als de poort zowel source als sink kan zijn, moet het voedingspad in beide richtingen blokkeren.
- Stroom: 5 A door een connector en een kleine printplaat vereist breed koper en een thermische controle.
6. Opstartchecklist
- Controleer de CC-spanning met een C-to-C-kabel: een sink moet de Rp van de source zien en de lijn naar een gedefinieerd niveau trekken.
- Controleer 5 V op VBUS in beide stekkeroriëntaties.
- Als PD wordt gebruikt, leg dan de CC-golfvorm vast en bevestig de BMC-onderhandeling; controleer de gevraagde spanning.
- Voer voor SuperSpeed een linktest uit en lees de onderhandelde snelheid; enumerate afzonderlijk bij Gen 1 en Gen 2.
- Meet de SS-paren alleen met een differentiële probe of een compliance-fixture; een single-ended probe op één lijn maakt de meting ongeldig.
- Controleer ESD op elke blootliggende pin, inclusief SBU.
- Thermisch: laat 30 minuten op maximaal onderhandeld vermogen draaien en meet de connector en de PD-controller.
Voor de basisprincipes van differentiële paren die hier ook gelden, zie derouteringsgids voor USB 2.0-paren, en voor de plaatsing van de beveiliging op dezelfde connector, deESD-layoutgids.
7. FAQ
Is USB-C hetzelfde als USB 3?
Nee. USB-C is een connector; USB 3 is een snelheid. Een USB-C-poort kan alleen USB 2.0 doorgeven, en een USB-A-poort kan USB 3 doorgeven.
Waarom laadt mijn apparaat niet op met een C-naar-C-kabel?
Bijna altijd de CC-pinnen. Een sink heeft 5.1 kΩ van elke CC-pin naar aarde nodig; zonder dat ziet de lader geen apparaat.
Kan ik 100 W uit elke USB-C-poort halen?
Nee. De bron, de kabel (e-marked) en de sink moeten allemaal PD en de gevraagde spanning ondersteunen. Standaard USB-C is 5 V.
Heb ik een PD-controller nodig?
Alleen als u meer dan 5 V of meer dan 3 A nodig hebt, of als de poort van rol moet kunnen wisselen. Voor een eenvoudig 5 V-apparaat zijn twee weerstanden en een beschermingsarray voldoende.
Waarom werkt mijn bord met een A-naar-C-kabel maar niet met C-naar-C?
Een A-naar-C-kabel levert 5 V ongeacht de CC-status. Een C-naar-C-kabel wacht tot de sink Rd presenteert. Hetzelfde ontwerp dat met een A-naar-C-kabel "werkt", kan met C-naar-C helemaal niet werken.
Zijn SuperSpeed-paren vereist?
Nee. Als het product alleen USB 2.0 nodig heeft, kunnen de SS-pinnen onverbonden blijven — maar ze moeten nog steeds beschermd worden als ze blootliggen.
Kan ik USB-C testen zonder een PD-analyser?
Gedeeltelijk. Een meter op VBUS en CC vertelt u de rol en de standaardspanning; volledige PD-onderhandeling vereist een PD-bewuste tester of een protocolanalyser. Voor de meeste bring-up vangt de eenvoudigere controle de gangbare fouten af.
Wat is een e-marker?
Een kleine chip in de kabel die de bron informeert over de stroom- en datamogelijkheden. Zonder een e-marker beperkt de bron de stroom tot 3 A.
8. Bronnen
- USB Implementers Forum,USB Type-C- en USB 3.2-specificaties— pinbezetting, CC-, PD- en SuperSpeed-vereisten.
- USB-IF,USB Power Delivery— spannings- en stroomprofielen, EPR.
- Texas Instruments,Richtlijnen voor high-speed-layout(SLLA414) — paarrouting en retourpad.
- Datasheets van USB-C-controllerleveranciers — CC-netwerk en mux-configuratie.
Ontwerpt u een USB-C-poort?
Vertel ons de rol (sink, source of beide), het vermogensniveau en de datasnelheid. Wij controleren het CC-netwerk, de beveiliging en de paarrouting voordat u zich vastlegt.
