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

Die höhere Spannung ermöglicht eine Kompensation des Spannungsabfalls zum Gerät. Wenn USB 3,3 V war und Sie ein langes Kabel und schlechte Anschlüsse mit 0,5 V Abfall hatten, läuft das Gerät nur mit 2,8 V. Wenn die Spannung 5 V beträgt, haben Sie immer noch 4,5 V, mit denen Sie arbeiten können, und das reicht aus, um einen LDO-Spannungsregler zu betreiben.

Die Datenleitungen auf Low Speed ​​USB haben eine für den Sender charakteristische differentielle Signalspannung: -

Bei Geräten mit niedriger und voller Geschwindigkeit wird eine differenzielle „1“ übertragen, indem D+ über 2,8 V gezogen wird, wobei ein 15-kOhm-Widerstand auf Masse gezogen wird, und D- unter 0,3 V gezogen wird, wenn ein 1,5-kOhm-Widerstand auf 3,6 V gezogen wird. Eine differentielle '0' hingegen ist ein D- größer als 2,8 V und ein D+ kleiner als 0,3 V mit den gleichen 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, tatsächlich 3V3 gemeint ist.

Bei Hochgeschwindigkeits-USB-Systemen sind die Spannungspegel kleiner: -

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

Die 5-V-Spannung an den Stromanschlüssen ist nur eine Stromzufuhr für ein Gerät, das Strom benötigt. 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, 5 V als Versorgungsspannung anstelle von 3,3 V zu verwenden:

• Für Geräte, die eine höhere Leistung benötigen (z. B. externe Festplatten), 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 zur Übertragung ein dickerer Draht erforderlich wäre.
• Im Falle eines 3,3-V-Low-Power-Geräts ist es viel einfacher, billiger und effizienter, 3,3 V von 5 V mit einem einfachen LDO zu regeln als umgekehrt. Letzteres würde einen komplexeren Schaltmodus-Aufwärtswandler erfordern.

Das Gehäuse für Datenpins ist auch so einfach wie möglich, um sowohl 3,3-V- als auch 5-V-Geräte zu unterstützen. Der Ein-/Ausgang eines 5-V-Geräts kann so ausgelegt werden, dass er maximal 3,3 V interpretiert und ausgibt. als hohes Niveau. Der jahrzehntealte TTL-Standard benötigte bereits nur 2,4 V als High-Pegel, ist also theoretisch 3,3 V-kompatibel (als Eingang).

Wenn dagegen der Datenbus so gewählt würde, dass er auf 5-V-Pegeln arbeitet, würde dies Probleme für 3,3-V-Geräte verursachen. Obwohl ein Eingang leicht 5-V-tolerant gemacht werden kann, ist es an einem Ausgang nicht möglich, 5 V mit einer einzigen Versorgungsspannung auszugeben. Es erfordert einen Pegelumsetzer (eingebaut oder extern) und beide Versorgungsspannungen. 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 differentiellen Bus ist der Stromverbrauch. Je höher die Spannung/Bitrate ist, desto höher ist der Stromverbrauch (dies sollte dem Leser klar sein). Insbesondere bei Signalen mit sehr hoher Geschwindigkeit oder mehreren Lastpunkten erhöht sich der Stromverbrauch. Wenn Sie an das gleiche Problem in der anderen Richtung denken, ist ein höherer Spannungspegel aus der Fahrerperspektive schwieriger zu erreichen und schränkt somit die Übertragungsgeschwindigkeit ein. Das in vielen modernen Bussen verwendete Strommodus-Fahren (das die Geschwindigkeit sicherstellt), einschließlich USB, ermöglicht geringere Spannungsschwankungen auf den Datenleitungen.

Andererseits führen Reflexionen oder Signalfehler zu Über-/Unterschwingungen. Wenn Sie am Bus bereits eine hohe Eigenspannung haben, werden die überlagerten (und leistungsstärkeren) Transienten vom Gerät möglicherweise nicht toleriert. Auch diese Macht ist vergebens. Der Extremfall dieses Phänomens tritt auf, wenn Sie die Antenne von einem HF-Sender trennen. Wenn Sie genug Energie im Sender haben, gefährden Sie das Funkgerät. Sie können auch andere Faktoren wie EMI berücksichtigen. Wie sieht es mit der Abwärme beim Abschluss aus? Bei gegebenem Z0 mehr Spannung, mehr Wärme.

Aus diesem Grund verwendet Low/Full Speed ​​USB 3,3 V, USB 2.0 und später die noch niedrigeren 800/400 mV. Wir wollen normalerweise die niedrigste Spannung anlegen, die für die spezifische Schnittstelle sinnvoll ist. Denken Sie daran, dass viele Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (wie Ethernet, CAN, HDMI, PCI, Lvds und viele mehr) alle Niederspannungssignale in derselben Ebene verwenden.

Der andere Grund kann das Vertrauen sein, dass die Verbindung korrekt funktioniert. Eine größere Reichweite ist stärker gegen Rauschen (weil Rauschen mit höherer Spannung erforderlich ist, um den Zustand des Bits zu ändern).