Todo sobre USB

Sep 06, 2023

Hay dos casos en los que los piratas informáticos tienen que pensar en la mecánica del conector USB-C. La primera es cuando se rompe físicamente un conector USB-C, y la segunda es cuando necesitamos poner un conector en nuestra propia placa. Repasemos los dos.

¿Qué sucede si falla un enchufe en su teléfono o computadora portátil? En primer lugar, podría deberse a polvo o escombros. Hay hisopos que puedes comprar para limpiar un conector USB-C; tal vez agregando un poco de alcohol isopropílico u otros líquidos adecuados para la limpieza, puede llegar a un estado "suficientemente bueno". También puede hacer reflujo de pines en su conector, equipado con aire caliente o una punta de soldador afilada, así como algo de fundente; cuando se trata de fallas mecánicas, esto tiende a remediarlas, incluso por un corto período de tiempo.

¿Cómo podría fallar un conector, exactamente? Bueno, uno de los pines podría romperse dentro del plástico, o simplemente ensuciarse demasiado para hacer contacto. Considere un dispositivo con una toma de carga y datos USB-C, con USB 2.0 pero sin pares de alta velocidad, lo que equivale a decir, lamentablemente, la mayoría de los teléfonos que existen. Intente conectarlo a un cargador USB-A con un cable USB-A a USB-C. ¿Se carga, aunque sea lentamente? Entonces, tus pines VBUS están bien.

Conéctelo a un cargador Tipo-C usando un cable Tipo-C, y ahora los pines CC están involucrados. ¿Se carga en ambas orientaciones? Entonces ambos pines CC están bien. ¿Se carga en una sola orientación? Uno de los pines CC tiene que estar roto. Luego, puede verificar los pines USB 2.0, utilizados para la transferencia de datos y la carga heredada. Conecta el teléfono a una computadora usando un cable USB-A a USB-C. ¿Enumera como un dispositivo? ¿Enumera en ambas orientaciones? De lo contrario, es posible que desee limpiar específicamente los pines D- y D+, tal vez incluso ambos conjuntos.

También ayuda si puede desarmar su dispositivo, obtener una ruptura del enchufe USB-C y medir la continuidad a través del zócalo. ¿Qué sucede si su conector está demasiado roto y no hay continuidad, sin importar cuánto refluya un pin específico? Bueno, podría ser una mala noticia, a menos que tengas un dispositivo razonablemente popular.

No me sorprendería si hay literalmente mil tipos diferentes de conectores USB-C, y cada teléfono y computadora portátil bajo el sol parece usar uno ligeramente diferente, mecánicamente incompatible. Si falla un conector USB-C en su costoso dispositivo, es posible que deba buscar una pieza de repuesto muy, muy específica. También suelen ser molestos para desoldar y reemplazar, dado que siempre son una combinación de piezas de orificio pasante y SMD. A veces, las almohadillas SMD están firmemente debajo del conector y son inaccesibles, y con los conectores de montaje en borde, a veces están a ambos lados de la placa. A menudo, hay plástico justo al lado de los pines o sobre ellos. Todo esto hace que sea molesto usar aire caliente o un soldador para quitar el conector.

Por el lado positivo, no todos los fabricantes son medio intencionalmente hostiles de esa manera. Las nuevas Macbooks tienen tomas USB-C en una parte separada, fácilmente desmontable y reemplazable. Muchos teléfonos también tienen el puerto USB-C en una pequeña PCB separada en la parte inferior del teléfono. En ambos casos, puede simplemente ir a Aliexpress y comprar una placa separada, que luego reemplaza. Ahora, desarmar teléfonos modernos es una madriguera de conejo, pero supongo que podemos estar agradecidos de que al menos haya algo de consideración.

Al igual que MicroUSB, los conectores USB-C tienen pestillos pequeños. No son visibles, ya que están dentro del enchufe, a los lados. Dicho esto, la mayoría de las veces están presentes. Por supuesto, al igual que MicroUSB, estos pestillos también se desgastan. Afortunadamente, todo lo que necesita hacer es comprar un cable diferente. ¿Y si es su cable favorito, o si tiene ganas de construir sus propios cables?

También puede comprar enchufes USB-C con PCB de salida pequeña, que le permiten soldar cables en ellos. Tener tales enchufes le permite construir cables personalizados o crear otros nuevos; Personalmente, los compro en LCSC, ya que tienen una variedad sorprendente si sabes dónde buscar. Hay enchufes que tienen resistencias pullup y funcionarán muy bien para construir cables USB-A a USB-C, pero es mejor que se asegure de quitar la resistencia para aplicaciones USB-C a USB-C. Hay enchufes que exponen ambas almohadillas CC, muy útiles en caso de que quieras construir tus propias extensiones USB-C o algo así. Y también hay enchufes con un emarker programado, por si quieres sacar 5 A de una fuente de alimentación y necesitas montar un cable a medida, entre otras cosas.

Por ahora, estamos firmemente en el territorio de hacer nuestras propias cosas. Hablemos de hacerlo correctamente; de ​​nuevo, limitándonos a los aspectos mecánicos, por ahora.

Para empezar, resaltemos algo bueno sobre los enchufes USB-C. La gran mayoría de ellos tienen pines de montaje con orificios pasantes, una bienvenida desviación del legado de MicroUSB y MiniUSB, donde los conectores más baratos que podía comprar eran solo de montaje en superficie, lo que facilitaba extraer el conector de la placa. Es realmente difícil encontrar un enchufe USB-C que sea completamente de montaje en superficie, y esto hace que las cosas sean más resistentes mecánicamente.

Para los piratas informáticos, esto tiende a hacer que las PCB y el ensamblaje sean un poco más caros: necesita su fábrica para poder hacer ranuras de PCB, ya que la mayoría de las huellas de conectores USB-C usan ranuras, y cuando ordena PCB con ensamblaje, tiene dos o cuatro adicionales. pines de orificio pasante que deben soldarse manualmente, lo que conlleva tarifas adicionales. Dicho esto, sin duda es para mejor y los precios bajarán con el tiempo.

Los conectores USB-C, los enchufes y los enchufes por igual tienen clasificaciones actuales. Se supone que todos los enchufes están clasificados para 5 A, pero he visto algunos chinos clasificados para 3 A; verifique la hoja de datos. Por supuesto, si está colocando un conector de 5 A en su placa, recuerde que solo pasará 5 A si su placa puede solicitarlo, lo que a su vez requiere comunicaciones USB-PD activas: la disposición desplegable dual habitual de 5.1K no es suficiente para eso. Por el lado positivo, si no desea tener un conector de 5 A específicamente, no necesita verificar la clasificación actual.

Esta variedad de zócalos existe porque hay miles de formas en las que puede querer montar un zócalo USB-C: en la parte superior de la placa de forma horizontal, vertical o vertical pero mirando hacia los lados, o en línea con la placa con docenas de alturas posibles, con o sin impermeabilización, y de diferente calidad de fabricación. También hay innumerables formas de exponer pares de alta velocidad, si necesita un conector con ellos. Algunos usan almohadillas SMD y otros usan pasadores de orificio pasante para alta velocidad, y eso es solo rascar la superficie.

No todos los conectores son buenos para usted tampoco, lo que ayuda a disminuir un poco la variedad. En primer lugar, verá conectores sin pines CC expuestos, que solo funcionarán con cables USB-A a USB-C. Uno podría esperar encontrar un conector de este tipo en un paquete de "primer kit de soldadura para bebés" que se vende por $ 3. Sin embargo, realmente no deberías usarlos. También hay muchos conectores que esperan tener almohadillas SMD para pines completamente ocultas debajo de su propio paquete. Si sus habilidades de estarcido en pasta de soldadura no están a la altura, realmente no desea depurar los problemas de soldadura con tales conectores.

Limitémonos a USB 2.0 y CC, y por supuesto, VBUS y GND. La elección de un aficionado de un conector probado y verdadero, destacado en el primer artículo, es el SMD de 16 pines. Lo verá en placas de desarrollo, productos baratos equipados con USB-C y muchas creaciones de piratas informáticos: es especial porque también está algo definido en la especificación USB-C. KiCad tiene su huella enumerada como USB_C_Receptáculo_HRO_TYPE-C-31-M-12 con un símbolo coincidente llamado USB_C_Receptáculo_USB2.0, pero HRO ciertamente no es el primero en producir este conector, y hay una gran cantidad de conectores compatibles con clavijas y huellas para este uno en concreto. Además, como mencioné, obtiene pines SBU, y es posible que desee usarlos para algo como un UART, o tal vez, elimine las almohadillas SBU de la huella para tener dos pines menos que posiblemente pueda puentear durante la soldadura, como el ilustra la imagen.

Cuando encuentre un conector sustituto de buen aspecto, verifique la numeración de pines de su hoja de datos con la de la huella de PCB que está utilizando. Ha habido casos en los que los números pin de huella en la hoja de datos son diferentes de los números de uso común, o la hoja de datos era confusa y provocaba que los piratas informáticos cometieran errores, lo que provocaba horas de depuración después de que se había encontrado un problema de fabricación. Mientras está en la hoja de datos, verifique si hay un grosor de PCB recomendado para montar dicho conector. Aunque dichos conectores se montan en la parte superior de la placa, el grosor de la placa de circuito impreso puede definir qué tan fácil será soldar correctamente los pines de la carcasa. Dicho esto, es más una recomendación que un requisito.

¿Qué sucede si alguna vez desea utilizar conectores con acceso a carriles de alta velocidad? Lamentablemente, no tengo un conector de alta velocidad específico para recomendarle, pero ciertamente puedo darle algunas pautas sobre cómo puede encontrar uno.

Si está buscando conformarse con un zócalo con capacidad de alta velocidad para sus diseños, le recomendaría que busque un diseño de código abierto existente y verificado que parezca fácil de soldar para usted, o tal vez, encuentre algunos conectores que Busque muestras adecuadas, pida muestras, diseñe una placa con huellas de prueba para todas ellas, luego intente ensamblar algunas y vea qué tan bien funciona.

Si ha encontrado una huella en línea que parece encajar en un buen conector que encontró, verifique las dimensiones cuidadosamente y vuelva a verificar, incluso si el nombre de la huella es el número de pieza del conector palabra por palabra. Hace dos meses, decidí hacer una fuga exponiendo todos los carriles de alta velocidad en un conector USB-C, haciendo que las señales al menos simulen que parecen un par diferencial. No está exactamente cerca de ser razonablemente adecuado para el uso diario real de USB3 o DisplayPort, ya que lo pedí como una placa de dos capas y, por lo tanto, la impedancia está fuera de control, pero aún es mejor que las rupturas habituales con 90 grados. doblar trazas de "alta velocidad".

Encontré una huella en KiCad que parecía que sería lo suficientemente fácil de soldar: pines de orificio pasante para la fila debajo del paquete y almohadillas de montaje en superficie pero accesibles con soldador para la fila exterior del paquete. Encontré algunos conectores en LCSC que parecían encajar en el espacio. Cuando llegó el día de soldar los conectores en las rupturas, resultó que los pines del escudo en el frente estaban desplazados unos pocos milímetros de las ubicaciones de las huellas. También resultó que los orificios de la placa de circuito impreso para los pines de orificio pasante estaban un poco demasiado apretados después de agregar el recubrimiento; la próxima versión seguramente tendrá orificios un poco más grandes.

Puede ser que encuentre un buen conector de montaje en borde con pines de fila interna de alta velocidad de orificio pasante. Al hacer el diseño de PCB, es posible que se dé cuenta de que es imposible extraer dos de las señales más internas: una CC y una SBU. Una solución es omitir directamente estos dos pines si el espacio es para un conector USB-C: no usa SBU y no necesita un segundo pin para VCONN, que es, simplemente, un pin CC sin usar reutilizado como pin de alimentación para un emarker.

O podrías solucionar el problema. La primera forma es usar una placa multicapa y enrutar el pasador a través de una capa interna, donde los anillos anulares de los pasadores de orificio pasante no están presentes. La segunda forma es usar pistas lo suficientemente pequeñas como para que aún puedan pasar alrededor del conector, por el borde de la PCB. O para una tercera forma, podría disminuir furtivamente el ancho de dos almohadillas de orificio pasante alrededor de los pines ofensivos en la capa superior (no soldable), hasta que una pista encaje entre ellos.

La mayor parte de lo que he mencionado se aplica a enchufes y enchufes por igual. Por supuesto, hay algunos problemas específicos de los enchufes. Por ejemplo, hay enchufes de montaje medio: enchufes que exponen el conjunto completo de pines, con cada lado del pin USB-C en un lado diferente de su PCB, y son razonablemente agradables para soldar. Por otro lado, no tengo idea de cómo se ensamblan esos enchufes en la fábrica: parecen estar refluidos y no soldados manualmente en productos que he desarmado, pero dado que hay almohadillas SMD en ambos lados sobre las que se coloca el conector , no tengo idea de cómo colocaría una plantilla en una placa de este tipo, especialmente en un entorno de fabricación a gran escala. ¿Algunas ideas?

Otra consideración peculiar es que solo se le permite tener un enchufe que conecte un solo conjunto de pines de datos USB 2.0, es decir, un par de pines USB 2.0 debe permanecer desconectado. Algunos enchufes soldables incluso tienen un segundo par de pines USB 2.0 que faltan físicamente. No estoy muy seguro de por qué no puede hacer esto, especialmente dado que casi todos los diseños de PCB de enchufe USB-C son paralelos a estos pines, y sería una conexión paralela de todos modos.

Y eso es todo lo que quizás desee saber sobre la mecánica del conector USB-C. Por supuesto, si me perdí algo, ¡háblalo en los comentarios!