Warum hat USB Vcc = 5V und High = 3,3V?

Ich denke darüber nach, einem Gerät, das V-USB verwendet, USB-Unterstützung hinzuzufügen. Nach dem, was ich dort und auf anderen Seiten gelesen habe, scheint USB nur 3,3 V als hohen Pegel an den Datenstiften zu haben, während die von USB gelieferte Spannung 5 V beträgt.

Was ist der Grund dafür? Mir scheint es nur komplizierter zu sein, da ich auf diese Weise mit mehreren Spannungen auf der Platine arbeiten oder die Vcc vollständig auf 3,3 V senken muss.

Die Datenleitungen bei langsamen USB-Anschlüssen haben eine differentielle Signalspannung mit den folgenden Merkmalen für den Sender:

Bei Geräten mit niedriger und voller Geschwindigkeit wird eine Differenz "1" übertragen, indem D + über 2,8 V mit einem auf Masse gezogenen Widerstand von 15 kOhm und D- unter 0,3 V mit einem auf 3,6 V gezogenen Widerstand von 1,5 kOhm gezogen werden. Eine differentielle "0" ist dagegen ein D-Wert größer als 2,8 V und ein D + Wert kleiner als 0,3 V mit denselben geeigneten Pull-Down / Up-Widerständen.

Und für den Empfänger lautet die Spezifikation:

Der Empfänger definiert eine Differenz "1" als D + 200 mV größer als D- und eine Differenz "0" als D + 200 mV kleiner als D-.

Informationen von hier und beachten Sie, dass dort, wo 3V6 steht, 3V3 gemeint ist.

Bei Hochgeschwindigkeits-USB-Systemen sind die Spannungspegel kleiner:

Wie Sie wahrscheinlich feststellen können, haben die Sendelogikpegel weder mit 5V- noch mit 3V3-Logiksystemen wirklich etwas zu tun. Die Einspeisung ist nur eine normale Einspeisung, die die Kompatibilität mit 5V- und 3V3-Systemen recht einfach macht.

Die höhere Spannung ermöglicht die Kompensation des Spannungsabfalls am Gerät. Wenn USB 3.3V war, wenn Sie ein langes Kabel und schlechte Stecker mit 0.5V Drop hatten, läuft das Gerät nur mit 2.8V. Wenn die Spannung 5 V beträgt, müssen Sie noch mit 4,5 V arbeiten, und das reicht aus, um einen LDO-Spannungsregler zu betreiben.

Die 5-V-Spannung an den Stromanschlüssen ist nur eine Einspeisung für ein Gerät, das Strom benötigt. Zu der Zeit, als USB eingeführt wurde, waren sowohl 5-V- als auch 3,3-V-Geräte üblich und das Ziel war, beide Systeme zu unterstützen. Es gibt (mindestens) zwei Vorteile, wenn 5 V anstelle von 3,3 V als Versorgungsspannung verwendet werden:

• Für die Geräte, die eine höhere Leistung benötigen (z. B. externe Festplatte), ergibt die Verwendung einer höheren Spannung bei gleichem Versorgungsstrom mehr Leistung. Die Verwendung von 3,3 V als Versorgungsspannung und die Erhöhung des Stroms wären nicht gleich gut, da für die Übertragung dickere Drähte erforderlich wären.
• Bei einem 3,3-V-Low-Power-Gerät ist es wesentlich einfacher, billiger und effizienter, 3,3 V über ein einfaches LDO von 5 V zu regeln als umgekehrt. Letzteres würde einen komplexeren Schaltmodus-Aufwärtswandler erfordern.

Das Gehäuse für Datenstifte dient auch dazu, 3,3 V- und 5 V-Geräte so einfach wie möglich zu unterstützen. Der Ein- / Ausgang eines 5-V-Geräts kann für die Interpretation und Ausgabe von max. 3,3 V ausgelegt werden. als hohes Niveau. Der jahrzehntealte TTL-Standard erforderte bereits nur 2,4 V als hohen Pegel, sodass theoretisch 3,3 V kompatibel sind (als Eingang).

Wenn dagegen der Datenbus für den Betrieb mit 5 V-Pegeln ausgewählt würde, würde dies Probleme für 3,3 V-Geräte verursachen. Obwohl ein Eingang leicht 5V-tolerant gemacht werden kann, ist es an einem Ausgang nicht möglich, 5V mit einer einzigen Versorgungsspannung auszugeben. Es werden ein Pegelumsetzer (eingebaut oder extern) und beide Versorgungsspannungen benötigt. Es ist auf jeden Fall komplizierter als das vorherige, insbesondere bei bidirektionalen Bussen wie dem USB.

Ein Hauptfaktor bei der Bestimmung der Spannungspegel für einen Differenzialbus ist der Stromverbrauch. Je höher die Spannung / Bitrate ist, desto höher ist der Stromverbrauch (dies sollte für den Leser offensichtlich sein). Insbesondere wird der Stromverbrauch verstärkt, wenn Sie sehr schnelle Signale oder mehrere Lastpunkte haben. Wenn Sie in der anderen Richtung an dasselbe Problem denken, ist es aus Fahrersicht schwieriger, einen höheren Spannungspegel zu erreichen, wodurch die Übertragungsgeschwindigkeit begrenzt wird. Der aktuelle Fahrmodus (der die Geschwindigkeit gewährleistet), der in vielen modernen Bussen verwendet wird, einschließlich USB, ermöglicht niedrigere Spannungsschwankungen auf den Datenleitungen.

Andererseits führen Reflexionen oder Signalfehler zu Über- / Unterschreitungen. Wenn Sie bereits eine hohe Spannung am Bus haben, können die überlagerten (und höheren) Transienten möglicherweise vom Gerät nicht toleriert werden. Diese Kraft geht auch umsonst. Der Extremfall dieses Phänomens ist, wenn Sie die Antenne von einem HF-Sender trennen. Wenn Sie genügend Strom im Sender haben, gefährden Sie das Radio. Sie können auch andere Faktoren wie EMI berücksichtigen. Wie wäre es mit der Verlustwärme bei der Beendigung? Für eine gegebene Z0 mehr Volatge, mehr Wärme.

Aus diesem Grund verwendet der Low / Full-Speed-USB 3,3 V, USB 2.0 und höher die noch niedrigeren 800/400 mV. Normalerweise möchten wir die niedrigste Spannung anlegen, die für die jeweilige Schnittstelle sinnvoll ist. Denken Sie daran, dass viele Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (z. B. Ethernet, Can, HDMI, PCI, LVDS und viele andere) Niederspannungssignale in derselben Schicht verwenden.

Der andere Grund kann das Vertrauen sein, dass die Verbindung korrekt funktioniert. Ein größerer Bereich ist stärker gegen Rauschen (da Rauschen mit höherer Spannung erforderlich ist, um den Zustand des Bits zu ändern).