Por que o USB tem Vcc = 5V e alto = 3,3V?

Estou pensando em adicionar suporte USB a um dispositivo meu usando V-USB. Pelo que li lá e em outros sites, o USB parece ter apenas 3,3V como um alto nível nos pinos de dados, enquanto a tensão fornecida pelo USB é de 5V.

Qual é a razão por trás disso? Para mim, isso parece apenas complicar as coisas, pois dessa forma eu preciso trabalhar com várias tensões na placa ou diminuir completamente o Vcc para 3,3V.

As linhas de dados no USB de baixa velocidade possuem uma tensão de sinal diferencial da seguinte característica para o transmissor: -

Em dispositivos de velocidade baixa e máxima, um diferencial '1' é transmitido puxando D + acima de 2,8V com um resistor de 15K ohm puxado para o solo e D- abaixo de 0,3V com um resistor de 1,5K ohm puxado para 3,6V. Um diferencial '0', por outro lado, é um D- maior que 2,8V e um D + menor que 0,3V com os mesmos resistores pull / up apropriados.

E para o receptor, a especificação é: -

O receptor define um diferencial '1' como D + 200mV maior que D- e um diferencial '0' como D + 200mV menor que D-.

Informações extraídas daqui e observe que onde diz 3V6, na verdade significa 3V3.

Para sistemas USB de alta velocidade, os níveis de tensão são menores: -

Como você provavelmente pode dizer, os níveis lógicos de transmissão não têm nada a ver com os sistemas lógicos 5V ou 3V3. A alimentação é apenas uma alimentação regular que facilita bastante a compatibilidade com sistemas 5V e 3V3.

A voltagem mais alta permite compensar a queda de voltagem no dispositivo. Se o USB era 3,3v, se você tivesse um cabo longo e conectores ruins com 0,5v de queda, o dispositivo funcionaria apenas em 2,8v. Se a tensão for 5v, você ainda terá 4,5v para trabalhar e isso é suficiente para executar um regulador de tensão LDO.

A tensão de 5V nos pinos de energia é apenas uma alimentação de energia para um dispositivo que precisa de energia. Na época em que o USB foi introduzido, os dispositivos de 5V e 3,3V eram comuns e o objetivo era suportar os dois sistemas. Existem (pelo menos) duas vantagens de usar 5V como tensão de alimentação em vez de 3,3V:

• Para os dispositivos que precisam de energia mais alta (por exemplo, HDD externo), usar uma tensão mais alta na mesma corrente de alimentação gera mais energia. Usar 3.3V como tensão de alimentação e aumentar a corrente não seria igualmente bom, pois exigiria a transmissão de um fio mais grosso.
• No caso de um dispositivo de baixa potência de 3,3V, é muito mais simples, mais barato e mais eficiente regular 3,3V de 5V usando um LDO simples do que vica versa. O último exigiria um conversor de impulso do modo de comutação, que é mais complexo.

O caso dos pinos de dados também serve para suportar dispositivos de 3,3V e 5V da maneira mais simples possível. A entrada / saída de um dispositivo de 5V pode ser projetada para interpretar e produzir 3,3V máx. como alto nível. O padrão TTL de décadas já exigia apenas 2,4V como alto nível, portanto, em teoria, são compatíveis com 3,3V (como entrada).

Por outro lado, se o barramento de dados fosse escolhido para operar em níveis de 5V, isso causaria problemas para dispositivos de 3,3V. Embora uma entrada possa ser facilmente tolerada por 5V, em uma saída não é possível emitir 5V usando uma única tensão de alimentação. Requer um deslocador de nível (interno ou externo) e ambas as tensões de alimentação. É de todo modo mais complicado que o anterior, especialmente em barramento bidirecional como o USB.

Um fator primário ao determinar os níveis de tensão para um barramento diferencial é o consumo de energia. Quanto maior a taxa de tensão / bit, maior o consumo de energia (isso deve ser óbvio para o leitor). Em particular, o consumo de energia é amplificado quando você tem sinais de velocidade muito alta ou vários pontos de carga. Se você pensar no mesmo problema na outra direção, será mais difícil obter um nível de tensão mais alto da perspectiva do motorista, limitando a velocidade de transmissão. A condução no modo atual (que garante a velocidade) usada em muitos barramentos modernos, incluindo USB, permite oscilações de tensão mais baixas nas linhas de dados.

Em outra nota, reflexões ou imperfeições de sinalização resultarão em over / undershoots. Se você já possui uma tensão intrinsecamente alta no barramento, os transientes sobrepostos (e de alta potência) podem não ser toleráveis ​​pelo dispositivo. Esse poder também é em vão. O caso extremo desse fenômeno é quando você desconecta a antena de um transmissor de RF. Se você tiver energia suficiente no transmissor, você colocará em risco o rádio. Você pode levar outros fatores, como EMI, também em consideração. E o calor dissipado na terminação? Para um dado Z0 mais volátil, mais calor.

É por isso que o USB de velocidade baixa / máxima usa 3.3V, USB 2.0 e posterior usa os 800 / 400mv ainda mais baixos. Geralmente, queremos aplicar a tensão mais baixa que faça sentido para a interface específica. Lembre-se de que muitas interfaces de alta velocidade (como ethernet, can, hdmi, pci, lvds e muito mais) usam sinais de baixa tensão na mesma camada.

O outro motivo pode ser a confiança no funcionamento correto da conexão. Maior alcance é mais poderoso contra ruídos (porque precisa de ruídos com tensão mais alta para alterar o estado dos bits).