Alles über USB

Sep 06, 2023

Es gibt zwei Fälle, in denen Hacker über die Mechanik des USB-C-Anschlusses nachdenken müssen. Das erste ist, wenn ein USB-C-Stecker physisch kaputt geht, und das zweite ist, wenn wir einen Stecker auf unserer eigenen Platine anbringen müssen. Lassen Sie uns beide durchgehen.

Was passiert, wenn eine Steckdose an Ihrem Telefon oder Laptop ausfällt? Erstens könnte es an Staub oder Schmutz liegen. Es gibt Tupfer, die Sie kaufen können, um einen USB-C-Anschluss zu reinigen. Wenn Sie vielleicht etwas Isopropylalkohol oder andere für die Reinigung geeignete Flüssigkeiten hinzufügen, können Sie einen Zustand erreichen, der „ausreichend gut“ ist. Sie können die Stifte Ihres Steckers auch mit Heißluft oder einer scharfen Lötkolbenspitze sowie etwas Flussmittel umschmelzen lassen – wenn es zu mechanischen Fehlern kommt, kann dies selbst für kurze Zeit Abhilfe schaffen.

Wie genau könnte ein Stecker ausfallen? Nun, einer der Stifte könnte im Kunststoff abbrechen oder einfach zu schmutzig werden, um Kontakt herzustellen. Stellen Sie sich ein Gerät mit USB-C-Lade- und Datenanschluss vor, mit USB 2.0, aber ohne Hochgeschwindigkeitsanschlüsse – was leider bei den meisten Telefonen auf dem Markt der Fall ist. Versuchen Sie, es mit einem USB-A-zu-USB-C-Kabel an ein USB-A-Ladegerät anzuschließen. Lädt es, wenn auch langsam? Dann sind Ihre VBUS-Pins in Ordnung.

Schließen Sie es mit einem Typ-C-Kabel an ein Typ-C-Ladegerät an, und schon sind die CC-Pins beteiligt. Lädt es in beiden Ausrichtungen? Dann sind beide CC-Pins in Ordnung. Lädt es nur in einer Ausrichtung? Einer der CC-Pins muss kaputt sein. Anschließend können Sie die USB 2.0-Pins überprüfen, die für die Datenübertragung und das Aufladen älterer Geräte verwendet werden. Schließen Sie das Telefon über ein USB-A-zu-USB-C-Kabel an einen Computer an. Wird es als Gerät aufgeführt? Zählt es in beiden Ausrichtungen auf? Wenn nicht, möchten Sie vielleicht speziell die D- und D+-Pins reinigen, vielleicht sogar beide Sätze.

Es hilft auch, wenn Sie Ihr Gerät auseinandernehmen, einen USB-C-Stecker-Breakout besorgen und den Durchgang durch die Buchse messen können. Was ist, wenn Ihr Stecker zu kaputt ist und kein Durchgang besteht, egal wie stark Sie einen bestimmten Pin umschmelzen? Nun, das könnte eine schlechte Nachricht sein, es sei denn, Sie besitzen ein halbwegs beliebtes Gerät.

Es würde mich nicht wundern, wenn es buchstäblich tausend verschiedene USB-C-Anschlusstypen gäbe – und jedes Telefon und jeder Laptop einen etwas anderen, mechanisch inkompatiblen Typ zu verwenden scheint. Wenn ein USB-C-Anschluss in Ihrem teuren Gerät ausfällt, müssen Sie möglicherweise nach einem ganz bestimmten Ersatzteil suchen. Außerdem ist das Entlöten und Ersetzen oft mühsam, da es sich immer um eine Kombination aus Durchgangsloch- und SMD-Teilen handelt. Manchmal sitzen die SMD-Pads fest unter dem Stecker und sind unzugänglich, und bei Kantensteckverbindern befinden sie sich manchmal auf beiden Seiten der Platine. Oft befindet sich Plastik direkt neben oder darüber. All dies macht es mühsam, zum Entfernen des Steckers Heißluft oder einen Lötkolben zu verwenden.

Positiv zu vermerken ist, dass nicht alle Hersteller halbabsichtlich so feindselig sind. Neue MacBooks verfügen über USB-C-Buchsen an einem separaten, leicht abnehmbaren und austauschbaren Teil. Bei vielen Telefonen befindet sich der USB-C-Anschluss auch auf einer separaten kleinen Platine an der Unterseite des Telefons. In beiden Fällen können Sie einfach auf Aliexpress gehen und ein separates Board kaufen, das Sie dann austauschen. Nun, das Zerlegen moderner Telefone ist ein Kaninchenloch, aber ich denke, wir können dankbar sein, dass es zumindest eine gewisse Überlegung gibt.

USB-C-Anschlüsse verfügen genau wie MicroUSB über kleine Riegel. Sie sind nicht sichtbar – da sie sich im Inneren des Steckers an den Seiten befinden. Allerdings sind sie häufiger anwesend als nicht. Natürlich verschleißen auch diese Riegel, genau wie MicroUSB. Zum Glück müssen Sie lediglich ein anderes Kabel kaufen. Und was ist, wenn es Ihr Lieblingskabel ist oder Sie Lust haben, Ihre eigenen Kabel zu bauen?

Sie können auch USB-C-Stecker mit kleinen Breakout-PCBs kaufen, an denen Sie Drähte anlöten können. Mit solchen Steckern können Sie individuelle Kabel konstruieren oder neue erstellen; Ich persönlich kaufe sie bei LCSC, da sie eine überraschende Vielfalt haben, wenn man weiß, wo man suchen muss. Es gibt Stecker mit Pullup-Widerständen, die sich hervorragend für den Bau von USB-A-zu-USB-C-Kabeln eignen. Für USB-C-zu-USB-C-Anwendungen sollten Sie jedoch unbedingt den Widerstand entfernen. Es gibt Stecker, die beide CC-Pads freilegen, was besonders praktisch ist, falls Sie Ihre eigenen USB-C-Erweiterungen oder ähnliches bauen möchten. Und es gibt auch Stecker mit programmiertem Emarker, falls Sie 5 A aus einem Netzteil herausholen möchten und unter anderem ein individuelles Kabel bauen müssen.

Mittlerweile sind wir fest auf dem Gebiet, unsere eigenen Sachen herzustellen. Lassen Sie uns über die richtige Vorgehensweise sprechen – wobei wir uns vorerst wieder auf die mechanischen Aspekte beschränken.

Lassen Sie uns zunächst etwas Tolles an USB-C-Buchsen hervorheben. Die überwiegende Mehrheit von ihnen verfügt über durchsteckbare Montagestifte – eine willkommene Abkehr vom Erbe von MicroUSB und MiniUSB, wo die günstigsten Steckverbinder, die man kaufen konnte, nur für die Oberflächenmontage geeignet waren, was es einfach machte, den Steckverbinder von der Platine abzureißen. Es ist wirklich schwer, eine vollständig oberflächenmontierte USB-C-Buchse zu finden, und das macht die Sache mechanisch stabiler.

Für Hacker bedeutet dies tendenziell, dass Leiterplatten und Montage etwas teurer werden – Sie müssen Ihre Fabrik mit Leiterplattensteckplätzen ausstatten können, da die meisten USB-C-Stecker-Footprints Steckplätze verwenden und Sie bei der Bestellung von Leiterplatten mit Montage zwei oder vier zusätzliche haben Durchkontaktierungsstifte, die manuell gelötet werden müssen – wofür zusätzliche Gebühren anfallen. Allerdings ist es zweifellos besser, und die Preise werden mit der Zeit sinken.

Sowohl USB-C-Anschlüsse als auch Buchsen und Stecker verfügen über aktuelle Nennwerte. Alle Steckdosen sollen für 5 A ausgelegt sein, aber ich habe einige chinesische gesehen, die für 3 A ausgelegt sind; Überprüfen Sie das Datenblatt. Wenn Sie einen 5-A-Anschluss auf Ihrem Board anbringen, denken Sie natürlich daran, dass dieser nur dann 5 A durchlässt, wenn Ihr Board dies anfordern kann, was wiederum eine aktive USB-PD-Kommunikation erfordert – die übliche duale 5,1K-Pulldown-Anordnung reicht dafür nicht aus. Wenn Sie jedoch nicht speziell einen 5-A-Anschluss anstreben, müssen Sie die Stromstärke nicht überprüfen.

Diese Vielfalt an Buchsen gibt es, weil es unzählige Möglichkeiten gibt, eine USB-C-Buchse zu montieren – horizontal oder vertikal auf der Oberseite der Platine, oder vertikal, aber seitlich ausgerichtet, oder in einer Linie mit der Platine in Dutzenden möglichen Höhen, mit oder ohne Imprägnierung und in unterschiedlicher Fertigungsqualität. Es gibt auch unzählige Möglichkeiten, Hochgeschwindigkeitspaare freizulegen, wenn Sie dazu einen Anschluss benötigen. Einige verwenden SMD-Pads und andere Durchgangsstifte für Hochgeschwindigkeit, und das kratzt nur an der Oberfläche.

Auch sind nicht alle Anschlüsse gut für Sie – was die Vielfalt etwas verringert. Zunächst sehen Sie Anschlüsse ohne freiliegende CC-Pins, die nur mit USB-A-zu-USB-C-Kabeln wirklich funktionieren. Man könnte erwarten, einen solchen Stecker in einer „Babys ersten Lötset“-Verpackung zu finden, die für 3 US-Dollar verkauft wird. Sie sollten sie jedoch wirklich nicht verwenden. Es gibt auch viele Steckverbinder, bei denen SMD-Pads für Stifte erwartet werden, die vollständig unter ihrem eigenen Gehäuse verborgen sind. Wenn Ihre Kenntnisse im Lötpasten-Schablonieren nicht auf dem neuesten Stand sind, möchten Sie Lötprobleme bei solchen Steckverbindern wirklich nicht beheben.

Beschränken wir uns auf USB 2.0 und CC und natürlich auf VBUS und GND. Die Wahl eines bewährten und bewährten Steckverbinders für Bastler, der im ersten Artikel hervorgehoben wurde, ist der 16-polige SMD-Stecker. Sie werden es auf Entwicklungsboards, billigen mit USB-C ausgestatteten Produkten und vielen Hacker-Kreationen sehen – es ist insofern etwas Besonderes, als es auch in gewisser Weise in der USB-C-Spezifikation definiert ist. Bei KiCad ist der Footprint als USB_C_Receptacle_HRO_TYPE-C-31-M-12 mit einem passenden Symbol namens USB_C_Receptacle_USB2.0 aufgeführt, aber HRO ist sicherlich nicht der Erste, der diesen Stecker herstellt, und es gibt eine Fülle von Pin- und Footprint-kompatiblen Steckverbindern dafür eine konkret. Außerdem erhalten Sie, wie bereits erwähnt, SBU-Pins, die Sie möglicherweise für etwas wie einen UART verwenden möchten – oder vielleicht die SBU-Pads aus dem Footprint löschen, sodass Sie zwei Pins weniger haben, die Sie möglicherweise beim Löten überbrücken können, wie z Bild veranschaulicht.

Wenn Sie einen gut aussehenden Ersatzstecker finden, vergleichen Sie die Pinnummerierung im Datenblatt mit der des von Ihnen verwendeten PCB-Footprints. Es gab Fälle, in denen sich die Footprint-Pin-Nummern im Datenblatt von den üblicherweise verwendeten Nummern unterschieden oder das Datenblatt verwirrend war und dazu führte, dass Hacker Fehler machten, was zu stundenlangem Debuggen führte, nachdem ein Herstellungsproblem entdeckt wurde. Überprüfen Sie im Datenblatt, ob es eine empfohlene Leiterplattendicke für die Montage eines solchen Steckverbinders gibt. Auch wenn solche Steckverbinder oben auf der Platine montiert werden, kann die Leiterplattendicke bestimmen, wie einfach es sein wird, die Gehäusestifte richtig zu löten. Allerdings handelt es sich eher um eine Empfehlung als um eine Anforderung.

Was ist, wenn Sie jemals Anschlüsse mit Zugang zu Hochgeschwindigkeitsspuren nutzen möchten? Leider kann ich Ihnen keinen speziellen Hochgeschwindigkeitsanschluss empfehlen, aber ich kann Ihnen sicherlich ein paar Richtlinien geben, wie Sie einen finden können.

Wenn Sie sich für einen hochgeschwindigkeitsfähigen Sockel für Ihre Designs entscheiden möchten, würde ich Ihnen empfehlen, entweder ein vorhandenes und verifiziertes Open-Source-Design zu finden, das für Sie einfach zu löten ist, oder vielleicht ein paar Steckverbinder zu finden, die das ermöglichen Schauen Sie passend aus, bestellen Sie Muster, entwerfen Sie eine Platine mit Test-Footprints für alle, bauen Sie dann ein paar davon zusammen und sehen Sie, wie gut es funktioniert.

Wenn Sie online einen Footprint gefunden haben, der so aussieht, als würde er zu einem von Ihnen gefundenen schönen Stecker passen, überprüfen Sie die Abmessungen sorgfältig und überprüfen Sie sie dann noch einmal – auch wenn der Name des Footprints wörtlich mit der Teilenummer des Steckers übereinstimmt. Vor zwei Monaten habe ich beschlossen, einen Breakout zu machen, bei dem alle Hochgeschwindigkeitsspuren an einer USB-C-Buchse freigelegt werden, sodass die Signale zumindest so aussehen, als ob sie wie ein Differentialpaar aussehen würden. Für den alltäglichen USB3- oder DisplayPort-Einsatz ist es nicht gerade annähernd geeignet, da ich es als Zweilagenplatine bestellt habe und die Impedanz daher aus dem Ruder gelaufen ist, aber immer noch besser als die üblichen Breakouts mit 90 Grad Biegen Sie „Hochgeschwindigkeits“-Leitungen.

Ich habe in KiCad einen Footprint gefunden, der so aussah, als wäre er leicht zu löten – Durchgangsstifte für die Reihe unter dem Gehäuse und oberflächenmontierte, aber mit dem Lötkolben zugängliche Pads für die Reihe außerhalb des Gehäuses. Ich habe auf LCSC einige Anschlüsse gefunden, die so aussahen, als würden sie in die Grundfläche passen. Als es darum ging, Steckverbinder auf Breakouts zu löten, stellte sich heraus, dass die Schirmstifte auf der Vorderseite einige Millimeter von den Footprint-Positionen versetzt waren. Es stellte sich auch heraus, dass die Leiterplattenlöcher für die Durchgangslöcher nach der Beschichtung etwas zu eng waren – die nächste Version wird sicherlich etwas größere Löcher haben.

Möglicherweise finden Sie einen schönen Randsteckverbinder mit durchkontaktierten Hochgeschwindigkeitsstiften in der inneren Reihe. Beim PCB-Layout stellen Sie möglicherweise fest, dass es unmöglich ist, zwei der innersten Signale herauszuziehen – ein CC und ein SBU. Eine Problemumgehung besteht darin, diese beiden Pins einfach wegzulassen, wenn der Platzbedarf für einen USB-C-Stecker vorgesehen ist: Sie verwenden kein SBU und benötigen keinen zweiten Pin für VCONN, bei dem es sich, einfach ausgedrückt, um einen nicht verwendeten CC-Pin handelt, der wiederverwendet wird als Power-Pin für einen Emarker.

Oder Sie könnten das Problem lösen. Die erste Möglichkeit besteht darin, eine mehrschichtige Platine zu verwenden und den Stift durch eine innere Schicht herauszuführen, wo keine ringförmigen Ringe mit Durchgangslochstiften vorhanden sind. Die zweite Möglichkeit besteht darin, Leiterbahnen zu verwenden, die so klein sind, dass sie am PCB-Rand noch um den Steckverbinder herumgeführt werden können. Oder als dritte Möglichkeit könnten Sie die Breite von zwei Durchgangslöchern um die störenden Stifte auf der oberen (nicht lötbaren) Schicht herum heimlich verringern, bis eine Leiterbahn dazwischen passt.

Das meiste von dem, was ich gesagt habe, gilt gleichermaßen für Steckdosen und Stecker. Natürlich gibt es einige steckerspezifische Probleme. Zum Beispiel gibt es Mid-Mount-Stecker – Stecker, die den gesamten Stiftsatz freilegen, wobei sich jede USB-C-Stiftseite auf einer anderen Seite Ihrer Platine befindet und sich recht gut löten lässt. Andererseits habe ich keine Ahnung, wie solche Stecker im Werk zusammengebaut werden – bei Produkten, die ich zerlegt habe, scheinen sie aufgeschmolzen und nicht manuell gelötet zu sein, aber da es auf beiden Seiten SMD-Pads gibt, auf die der Stecker passt Ich habe keine Ahnung, wie man eine solche Platine schablonieren würde, insbesondere in einer größeren Fertigungsumgebung. Irgendwelche Ideen?

Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass ein Stecker nur einen einzigen Satz USB 2.0-Datenpins verbinden darf, das heißt, ein Paar USB 2.0-Pins muss getrennt bleiben. Bei einigen lötbaren Steckern fehlt sogar physisch ein zweites Paar USB 2.0-Pins. Ich bin mir nicht ganz sicher, warum Sie dies nicht tun können, insbesondere angesichts der Tatsache, dass fast jedes einzelne PCB-Design der USB-C-Buchse parallel zu diesen Pins verläuft und es trotzdem nur eine Parallelverbindung wäre.

Und das ist alles, was Sie über die Mechanik des USB-C-Steckers wissen möchten. Wenn ich etwas verpasst habe, sprechen Sie natürlich in den Kommentaren darüber!