USB-C e SuperSpeed: Uma Introdução Prática
O USB-C não é uma velocidade. É um conector de 24 pinos com dois papéis, um protocolo de negociação de potência e — opcionalmente — dois pares adicionais de alta velocidade. Confundir estes aspetos é o erro inicial habitual.
Resposta rápida
- Conector: 24 pinos em duas filas espelhadas; o cabo funciona em qualquer orientação.
- Funções: Os pinos CC e uma pull-down de 5.1 kΩ (sink) ou uma pull-up (source) decidem quem alimenta quem.
- Potência: 5 V por predefinição; o USB PD eleva-o para 20 V / 5 A (100 W), e o EPR para 48 V / 5 A (240 W).
- Velocidade: Os pares SuperSpeed são separados de D+/D−; 85 Ω diferenciais, acoplamento AC de 100 nF no TX.
1. O conector
Os 24 pinos dividem-se em quatro grupos: alimentação (VBUS/GND), USB 2.0 (D+/D−), configuração (CC1/CC2) e SuperSpeed (pares TX/RX, mais SBU para modos alternativos). O espelhamento significa que o host tem de suportar qualquer das orientações — normalmente com um mux baseado em CC, ou ligando ambas as filas entre si onde a norma o permite.
Duas consequências práticas do espelhamento. Primeiro, o D+/D− do USB 2.0 pode normalmente ser interligado entre as duas filas, porque apenas um par está ativo de cada vez e o protocolo tolera o stub. Segundo, o SuperSpeed não pode ser interligado: os pares TX e RX trocam quando a ficha é invertida, pelo que é necessário um mux (ou um controlador com deteção de orientação integrada) para funcionamento em plena velocidade.
Se o produto utilizar apenas USB 2.0 através de um conector USB-C, esse mux é desnecessário — um dos poucos casos em que um design mais simples também está correto.
| Pinos | Função | Notas |
|---|---|---|
| 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. Os pinos CC determinam as funções
Consumidor (dispositivo): CCx -- 5.1 kOhm -- GND Fonte (carregador): CCx -- Rp -- VBUS Rp 56 kOhm: corrente predefinida Rp 22 kOhm: 1.5 A Rp 10 kOhm: 3 A
Se a sua placa tiver um recetáculo USB-C para alimentação e os pinos CC ficarem flutuantes, um cabo C-to-C não fornecerá qualquer alimentação. O dispositivo parece morto e o carregador não deteta nada. Este é o erro de projeto USB-C mais comum de todos, e corrigi-lo custa duas resistências.
Para um dispositivo que tanto carrega como atua como anfitrião, a rede CC é mais complexa: a porta tem de alternar entre Rd e Rp, e um controlador PD trata da negociação. Nessa altura, leia a folha de dados do controlador em vez de copiar um esquema de referência.
A negociação PD decorre na linha CC como um sinal modulado, não como uma resistência estática. A fonte anuncia as capacidades, o dispositivo consumidor (sink) solicita um perfil e ambos os lados confirmam antes de a tensão mudar. Se está a depurar "carrega lentamente", veja o contrato negociado, não apenas as resistências.
3. Negociação de potência
| Modo | Tensão / corrente | Potência |
|---|---|---|
| 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 |
Acima de 3 A, o cabo tem de ser marcado eletronicamente, e o dispositivo consumidor (sink) não deve assumir que a corrente total está disponível até a negociação terminar. Um projeto que ligue permanentemente uma carga de 5 A ao VBUS irá sofrer brownout ou acionar a proteção.
Sinalização SuperSpeed
O SuperSpeed acrescenta um par de transmissão e um par de receção em cada direção. São acoplados em AC: 100 nF em série em cada linha, colocados junto do transmissor. São também mais rápidos e menos tolerantes do que o USB 2.0 — Gen 1 é 5 Gb/s, Gen 2 é 10 Gb/s, e o USB4 vai mais longe.
Regras práticas de encaminhamento: manter os pares curtos, igualar dentro do par, evitar vias e não os encaminhar por baixo do conector, onde o caminho de retorno está interrompido. Se o projeto só precisa de USB 2.0 sobre USB-C, os pinos SuperSpeed podem ficar sem ligação — mas continuam a precisar de proteção ESD se estiverem expostos no recetáculo.
Como o conector é reversível, as lanes SS têm de ser trocadas pelo mux quando a ficha é invertida. Isso significa que a PCB vê dois mapeamentos possíveis, e o mux acrescenta a sua própria capacitância e perda no caminho. No Gen 2, isso faz parte do orçamento de ligação, não é uma reflexão tardia.
O condicionamento de sinal está integrado em muitos controladores USB 3: a desenfatização do transmissor e a equalização do recetor compensam as perdas da PCB e do cabo. É por isso que uma ligação pode funcionar em Gen 1 e falhar em Gen 2 na mesma placa — a perda adicional a 5 GHz excede o que o equalizador consegue recuperar.
| Regra | Porquê |
|---|---|
| 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. Erros comuns
| Erro | Sintoma | Correção |
|---|---|---|
| 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. Caminho de alimentação e proteção
A uma porta USB-C pode ser solicitado que forneça 100 W ou que os receba, e o pino VBUS está exposto ao exterior. Daí decorrem três coisas: proteção no VBUS, um caminho de alimentação capaz de suportar a corrente negociada e um plano para o que acontece quando a fonte é um carregador de telemóvel de 5 V e não uma fonte de alimentação de 20 V.
- ESD: VBUS, CC, SBU e os pares de dados precisam todos de proteção no conector.
- Corrente de arranque: um condensador de entrada grande parece um curto-circuito quando o cabo é ligado; utilize um arranque suave ou um eFuse.
- Tensão inversa: se a porta puder ser tanto fonte como consumidor, o caminho de alimentação tem de bloquear nos dois sentidos.
- Corrente: 5 A através de um conector e de uma placa pequena exige pistas de cobre largas e uma verificação térmica.
6. Lista de verificação de arranque
- Verifique a tensão do CC com um cabo C-to-C: um sink deve ver o Rp da fonte e levar a linha a um nível definido.
- Verifique 5 V em VBUS nas duas orientações da ficha.
- Se for utilizado PD, capture a forma de onda do CC e confirme a negociação BMC; verifique a tensão solicitada.
- Para SuperSpeed, execute um teste de ligação e leia a velocidade negociada; enumere em Gen 1 e Gen 2 separadamente.
- Sonde os pares SS apenas com uma sonda diferencial ou um fixture de conformidade; uma sonda single-ended numa linha invalida a medição.
- Verifique ESD em todos os pinos expostos, incluindo SBU.
- Térmico: execute à potência máxima negociada durante 30 minutos e meça o conector e o controlador PD.
Para os fundamentos de pares diferenciais que também se aplicam aqui, consulte oguia de encaminhamento de pares USB 2.0, e para a colocação da proteção no mesmo conector, oguia de layout ESD.
7. FAQ
O USB-C é o mesmo que USB 3?
Não. O USB-C é um conector; o USB 3 é uma velocidade. Uma porta USB-C pode transportar apenas USB 2.0, e uma porta USB-A pode transportar USB 3.
Porque é que o meu dispositivo não carrega com um cabo C para C?
Quase sempre os pinos CC. Um sink precisa de 5.1 kΩ de cada pino CC para a terra; sem isso, o carregador não vê nenhum dispositivo.
Posso obter 100 W de qualquer porta USB-C?
Não. A fonte, o cabo (e-marked) e o sink têm todos de suportar PD e a tensão solicitada. O USB-C predefinido é 5 V.
Preciso de um controlador PD?
Apenas se precisar de mais de 5 V ou mais de 3 A, ou se a porta tiver de mudar de papel. Para um dispositivo simples de 5 V, bastam duas resistências e uma matriz de proteção.
Porque é que a minha placa funciona com um cabo A-to-C mas não com C-to-C?
Um cabo A-to-C fornece 5 V independentemente do estado CC. Um cabo C-to-C aguarda que o sink apresente Rd. O mesmo projeto que "funciona" com um cabo A-to-C pode ficar completamente inoperante com C-to-C.
Os pares SuperSpeed são obrigatórios?
Não. Se o produto só precisar de USB 2.0, os pinos SS podem ficar sem ligação — mas ainda têm de ser protegidos se estiverem expostos.
Posso testar USB-C sem um analisador PD?
Em parte. Um medidor em VBUS e CC indica-lhe a função e a tensão padrão; a negociação PD completa requer um testador compatível com PD ou um analisador de protocolo. Para a maioria dos arranques, a verificação mais simples deteta as falhas comuns.
O que é um e-marker?
Um pequeno chip no cabo que indica à fonte a sua capacidade de corrente e de dados. Sem um, a fonte limita a corrente a 3 A.
8. Fontes
- USB Implementers Forum,Especificações de USB Type-C e USB 3.2— pinout, CC, PD e requisitos de SuperSpeed.
- USB-IF,USB Power Delivery— perfis de tensão e corrente, EPR.
- Texas Instruments,Diretrizes de Layout de Alta Velocidade(SLLA414) — encaminhamento de pares e caminho de retorno.
- Folhas de dados dos controladores USB-C dos fornecedores — rede CC e configuração do mux.
A conceber uma porta USB-C?
Diga-nos a função (sink, source ou ambos), o nível de potência e a taxa de dados. Vamos verificar a rede CC, a proteção e o encaminhamento de pares antes de avançar.
