Tout sur l'USB

Jan 01, 2024

Il y a deux cas où les pirates doivent penser à la mécanique du connecteur USB-C. Le premier est lorsqu'un connecteur USB-C se casse physiquement, et le second est lorsque nous devons mettre un connecteur sur notre propre carte. Passons en revue les deux.

Que faire si une prise de votre téléphone ou de votre ordinateur portable tombe en panne ? Tout d'abord, cela peut être dû à la poussière ou aux débris. Il existe des écouvillons que vous pouvez acheter pour nettoyer un connecteur USB-C ; peut-être en ajoutant de l'alcool isopropylique ou d'autres liquides de nettoyage appropriés, vous pouvez obtenir un état "assez bon". Vous pouvez également refusionner les broches de votre connecteur, équipées d'air chaud ou d'une panne de fer à souder pointue, ainsi que d'un peu de flux – lorsqu'il s'agit de pannes mécaniques, cela tend à y remédier, même pour une courte durée.

Comment un connecteur pourrait-il échouer, exactement ? Eh bien, l'une des broches pourrait se casser à l'intérieur du plastique ou simplement devenir trop sale pour entrer en contact. Considérez un appareil avec une prise de charge et de données USB-C, avec USB 2.0 mais sans paires haut débit - c'est-à-dire, malheureusement, la majorité des téléphones. Essayez de le brancher sur un chargeur USB-A à l'aide d'un câble USB-A vers USB-C. Est-ce qu'il charge, même lentement ? Ensuite, vos broches VBUS sont correctes.

Branchez-le sur un chargeur de type C à l'aide d'un câble de type C, et maintenant les broches CC sont impliquées. Charge-t-il dans les deux orientations ? Ensuite, vos deux broches CC sont correctes. Charge-t-il dans une seule orientation ? L'une des broches CC doit être cassée. Ensuite, vous pouvez vérifier les broches USB 2.0, utilisées pour le transfert de données et la charge héritée. Branchez le téléphone à un ordinateur à l'aide d'un câble USB-A vers USB-C. S'énumère-t-il en tant qu'appareil ? S'énumère-t-il dans les deux orientations ? Sinon, vous voudrez peut-être nettoyer spécifiquement les broches D- et D+, peut-être même les deux ensembles.

Cela aide également si vous pouvez démonter votre appareil, obtenir une prise USB-C et mesurer la continuité à travers la prise. Que se passe-t-il si votre connecteur est trop cassé et qu'il n'y a pas de continuité, peu importe combien vous refusionnez une broche spécifique ? Eh bien, cela pourrait être une mauvaise nouvelle, à moins que vous ne possédiez un appareil raisonnablement populaire.

Je ne serais pas surpris s'il existe littéralement un millier de types de connecteurs USB-C différents - et chaque téléphone et ordinateur portable sous le soleil semble en utiliser un légèrement différent et mécaniquement incompatible. Si un connecteur USB-C de votre appareil coûteux tombe en panne, vous devrez peut-être rechercher une pièce de rechange très, très spécifique. Ils sont également souvent gênants à dessouder et à remplacer, étant donné qu'ils sont toujours une combinaison de pièces traversantes et CMS. Parfois, les pastilles SMD sont fermement sous le connecteur et inaccessibles, et avec des connecteurs à montage sur bord, parfois elles se trouvent des deux côtés de la carte. Souvent, il y a du plastique juste à côté des broches ou au-dessus d'elles. Tout cela rend gênant l'utilisation d'air chaud ou d'un fer à souder pour retirer le connecteur.

En revanche, tous les fabricants ne sont pas à moitié intentionnellement hostiles comme ça. Les nouveaux Macbooks ont des prises USB-C sur une partie séparée, facilement détachable et remplaçable. De nombreux téléphones ont également le port USB-C sur un petit circuit imprimé séparé au bas du téléphone. Dans les deux cas, vous pouvez simplement vous rendre sur Aliexpress et acheter une carte séparée, que vous remplacerez ensuite. Maintenant, le démontage des téléphones modernes est un terrier de lapin, mais je suppose que nous pouvons être reconnaissants qu'il y ait au moins une certaine considération.

Tout comme MicroUSB, les connecteurs USB-C ont de petits loquets. Ils ne sont pas visibles - car ils sont à l'intérieur de la prise, sur les côtés. Cela dit, ils sont plus souvent présents qu'autrement. Bien sûr, tout comme MicroUSB, ces loquets s'usent également. Heureusement, tout ce que vous avez à faire est d'acheter un autre câble. Et que se passe-t-il si c'est votre câble préféré, ou si vous avez envie de construire vos propres câbles ?

Vous pouvez également acheter des prises USB-C avec de petits circuits imprimés de dérivation, qui vous permettent de souder des fils dessus. Avoir de telles prises vous permet de construire des câbles personnalisés ou d'en créer de nouveaux ; Personnellement, je les achète au LCSC car ils stockent une variété surprenante si vous savez où chercher. Certaines fiches sont dotées de résistances de rappel et fonctionneront parfaitement pour la construction de câbles USB-A vers USB-C, mais vous feriez mieux de retirer la résistance pour les applications USB-C vers USB-C. Il existe des prises qui exposent les deux pads CC, ce qui est très pratique au cas où vous voudriez créer vos propres extensions USB-C ou quelque chose du genre. Et il existe également des prises avec un emarker programmé, au cas où vous voudriez obtenir 5 A d'un bloc d'alimentation et avez besoin de construire un câble personnalisé, entre autres.

À présent, nous sommes fermement sur le terrain de faire nos propres trucs. Parlons de le faire correctement - encore une fois, en nous limitant aux aspects mécaniques, pour l'instant.

Pour commencer, soulignons quelque chose de génial à propos des prises USB-C. L'écrasante majorité d'entre eux ont des broches de montage traversantes - un changement bienvenu par rapport à l'héritage de MicroUSB et MiniUSB, où les connecteurs les moins chers que vous pouviez acheter étaient uniquement à montage en surface, ce qui facilite le retrait du connecteur de la carte. Il est vraiment difficile de trouver une prise USB-C entièrement montée en surface, ce qui rend les choses plus robustes sur le plan mécanique.

Pour les pirates, cela a tendance à rendre les PCB et l'assemblage et un peu plus chers - vous avez besoin de votre fab pour pouvoir faire des fentes pour PCB, car la plupart des empreintes de connecteur USB-C utilisent des fentes, et lors de la commande de PCB avec assemblage, vous en avez deux ou quatre supplémentaires broches traversantes qui doivent être soudées manuellement - ce qui entraîne des frais supplémentaires. Cela dit, c'est sans doute pour le mieux, et les prix vont baisser avec le temps.

Les connecteurs, prises et fiches USB-C ont des caractéristiques de courant. Toutes les prises sont censées être évaluées à 5 A, mais j'en ai vu des chinoises évaluées à 3 A; consultez la fiche technique. Bien sûr, si vous installez un connecteur 5 A sur votre carte, rappelez-vous qu'il ne passera que 5 A si votre carte est en mesure de le demander, ce qui nécessite des communications USB-PD actives - l'arrangement habituel de double pulldown 5.1K. n'est pas suffisant pour cela. En revanche, si vous ne visez pas spécifiquement un connecteur 5 A, vous n'avez pas besoin de vérifier le courant nominal.

Cette variété de prises existe parce qu'il existe une myriade de façons de monter une prise USB-C - sur le dessus de la carte horizontalement, ou verticalement, ou verticalement mais face latéralement, ou en ligne avec la carte avec des dizaines de hauteurs possibles, avec ou sans étanchéité, et de qualité de fabrication différente. Il existe également une myriade de façons d'exposer des paires à haut débit, si vous avez besoin d'un connecteur avec celles-ci. Certains utilisent des pads SMD et d'autres utilisent des broches traversantes pour la haute vitesse, et cela ne fait qu'effleurer la surface.

Tous les connecteurs ne sont pas non plus bons pour vous, ce qui contribue à réduire quelque peu la variété. Tout d'abord, vous verrez des connecteurs sans broches CC exposés, qui ne fonctionneront vraiment qu'avec des câbles USB-A vers USB-C. On pourrait s'attendre à trouver un tel connecteur dans un package "premier kit de soudure de bébé" vendu 3 $. Cependant, vous ne devriez vraiment pas les utiliser. Il existe également de nombreux connecteurs qui s'attendent à avoir des plots SMD pour les broches entièrement cachés sous leur propre boîtier. Si vos compétences en matière de pâte à souder au pochoir ne sont pas à la hauteur, vous ne voulez vraiment, vraiment pas déboguer les problèmes de soudure avec de tels connecteurs.

Limitons-nous à USB 2.0 et CC, et bien sûr, VBUS et GND. Le choix de l'amateur d'un connecteur éprouvé, mis en évidence dans le premier article, est le SMD à 16 broches. Vous le verrez sur les cartes de développement, les produits bon marché équipés d'USB-C et de nombreuses créations de pirates informatiques - il est spécial en ce sens qu'il est également défini dans la spécification USB-C. KiCad a son empreinte répertoriée comme USB_C_Receptacle_HRO_TYPE-C-31-M-12 avec un symbole correspondant appelé USB_C_Receptacle_USB2.0, mais HRO n'est certainement pas le premier à produire ce connecteur, et il existe une mine de connecteurs compatibles avec les broches et les empreintes. un spécifiquement. De plus, comme je l'ai mentionné, vous obtenez des broches SBU, et vous voudrez peut-être les utiliser pour quelque chose comme un UART - ou peut-être supprimer les pastilles SBU de l'empreinte afin d'avoir deux broches de moins que vous pouvez éventuellement ponter pendant la soudure, comme le image illustre.

Lorsque vous trouvez un connecteur de remplacement attrayant, vérifiez la numérotation des broches de sa fiche technique avec celle de l'empreinte PCB que vous utilisez. Il y a eu des cas où les numéros de broche d'empreinte dans la fiche technique sont différents des numéros couramment utilisés, ou la fiche technique était confuse et a conduit les pirates à faire des erreurs, provoquant des heures de débogage après la découverte d'un problème de fabrication. Pendant que vous êtes dans la fiche technique, vérifiez s'il existe une épaisseur de PCB recommandée pour le montage d'un tel connecteur. Même si de tels connecteurs se montent sur le dessus de la carte, l'épaisseur du PCB peut définir à quel point il sera facile de souder correctement les broches de la coque. Cela dit, il s'agit plus d'une recommandation que d'une exigence.

Et si jamais vous souhaitiez utiliser des connecteurs avec accès à des voies à grande vitesse ? Malheureusement, je n'ai pas de connecteur haut débit spécifique à vous recommander, mais je peux certainement vous donner quelques indications sur la façon dont vous pouvez en trouver un.

Si vous cherchez à vous installer sur une prise haute vitesse pour vos conceptions, je vous recommanderais de trouver une conception open source existante et vérifiée qui semble facile à souder pour vous, ou peut-être de trouver quelques connecteurs qui semblez approprié, commandez des échantillons, concevez une carte avec des empreintes de test pour chacun d'eux, puis essayez d'en assembler quelques-unes et voyez si cela se passe bien.

Si vous avez trouvé une empreinte en ligne qui semble convenir à un joli connecteur que vous avez trouvé, vérifiez attentivement les dimensions, puis vérifiez à nouveau - même si le nom de l'empreinte est le numéro de pièce du connecteur mot pour mot. Il y a deux mois, j'ai décidé de faire une évasion en exposant toutes les voies à haut débit sur une prise USB-C, en faisant en sorte que les signaux fassent au moins semblant de ressembler à une paire différentielle. Ce n'est pas exactement près d'être raisonnablement adapté à une utilisation quotidienne réelle d'USB3 ou de DisplayPort, puisque je l'ai commandé comme une carte à deux couches et l'impédance est donc hors de propos, mais c'est toujours mieux que les évasions habituelles avec 90 degrés plier les traces "à grande vitesse".

J'ai trouvé une empreinte dans KiCad qui semblait être assez facile à souder - des broches traversantes pour la rangée sous le boîtier et des pastilles à montage en surface mais accessibles au fer à souder pour la rangée à l'extérieur du boîtier. J'ai trouvé des connecteurs sur LCSC qui semblaient correspondre à l'empreinte. Lorsque le jour est venu de souder les connecteurs sur les éruptions, il s'est avéré que les broches du blindage à l'avant étaient décalées de quelques millimètres par rapport aux emplacements des empreintes. Il s'est également avéré que les trous de PCB pour les broches traversantes étaient juste un tout petit peu trop serrés après l'ajout du placage - la prochaine version aura certainement des trous légèrement plus grands.

Il se peut que vous trouviez un joli connecteur à montage sur bord avec des broches de rangée intérieure haute vitesse à trou traversant. Lors de la mise en page du PCB, vous vous rendrez peut-être alors compte qu'il est impossible d'extraire deux des signaux les plus internes - un CC et un SBU. Une solution de contournement consiste à omettre directement ces deux broches si l'empreinte est pour une prise USB-C : vous n'utilisez pas SBU et vous n'avez pas besoin d'une deuxième broche pour VCONN, qui est, tout simplement, une broche CC inutilisée réutilisée comme broche d'alimentation pour un emarker.

Ou vous pourriez résoudre le problème. La première consiste à utiliser une carte multicouche et à acheminer la broche à travers une couche interne, où les anneaux annulaires de broches traversantes ne sont pas présents. La deuxième façon consiste à utiliser des pistes suffisamment petites pour qu'elles puissent encore passer autour du connecteur, par le bord du PCB. Ou pour une troisième façon, vous pouvez diminuer sournoisement la largeur de deux pastilles traversantes autour des broches incriminées sur la couche supérieure (non soudable), jusqu'à ce qu'une piste s'insère entre elles.

La plupart de ce que j'ai mentionné s'applique également aux prises et aux fiches. Bien sûr, il y a quelques problèmes spécifiques à la prise. Par exemple, il existe des fiches à montage intermédiaire - des fiches qui exposent l'ensemble complet de broches, avec chaque côté de broche USB-C sur un côté différent de votre PCB, et elles sont raisonnablement agréables à souder. D'un autre côté, je n'ai aucune idée de la façon dont ces fiches sont assemblées en usine - elles semblent être refondues et non soudées manuellement dans les produits que j'ai démontés, mais comme il y a des pastilles SMD des deux côtés, le connecteur va au-dessus de , je n'ai aucune idée de la façon dont vous pochoiriez un tel tableau, en particulier dans un environnement de fabrication à grande échelle. Des idées?

Une autre considération particulière est que vous n'êtes autorisé à avoir qu'une prise pour connecter un seul ensemble de broches de données USB 2.0, c'est-à-dire qu'une paire de broches USB 2.0 doit rester déconnectée. Certaines fiches soudables ont même une deuxième paire de broches USB 2.0 physiquement manquantes. Je ne sais pas trop pourquoi vous ne pouvez pas faire cela, d'autant plus que presque toutes les conceptions de circuits imprimés à prise USB-C sont parallèles à ces broches, et il s'agirait tout de même d'une connexion parallèle.

Et c'est tout ce que vous voudrez peut-être savoir sur la mécanique des connecteurs USB-C. Bien sûr, si j'ai raté quelque chose, n'hésitez pas à en parler dans les commentaires !