Бывает два случая, в которых электронщикам приходится задумываться о механике разъёмов USB-C. Первый связан с поломкой разъёма, а второй с потребностью его установки на собственную плату. В этой статье мы разберём оба.
Перед вами очередная часть серии про USB-C, посвящённая механическим особенностям устройства этих разъёмов и их установке на платы. Предыдущие части доступны здесь:
- Всё про USB-C: типы кабелей
- Всё про USB-C: переходники вне стандарта
- Всё про USB-C: обеспечение питания
▍ Чистка разъёма
Что, если гнездо в вашем телефоне или ноутбуке начало давать сбой или полностью отказало? В первую очередь причиной тому могут быть попавшие в него пыль или мусор. В таких случаях можно воспользоваться специальными тампонами для чистки разъёмов. Есть вероятность, что с помощью небольшого количества изопропилового спирта или другой подходящей жидкости, вам удастся добиться «достаточно хорошего» состояния. Также можно освежить пайку контактов разъёма потоком горячего воздуха или с помощью острого жала паяльника и флюса — в случае механических поломок это обычно помогает, хотя бы ненадолго.
А как вообще разъём может сломаться? Как вариант, внутри корпуса разъёма может отломиться контакт, или же туда может попасть пыль. Представьте устройство с гнёздами USB-C для зарядки и передачи данных по стандарту USB 2.0, но без высокоскоростных пар — что, к сожалению, мы наблюдаем в большинстве телефонов. Попробуйте подключить такое устройство к зарядке с USB-A кабелем USB-A — USB-C. Заряжается ли оно, хотя бы медленно? Если да, то с линией VBUS всё в порядке.
Теперь подключите его в зарядное устройство с USB-C кабелем USB-C. В этом случае задействуются контакты CC. Заряжается ли устройство в обоих направлениях? Если да, то с обоими контактами CC порядок. Если же зарядка идёт только в одном направлении, тогда один из контактов нарушен. Далее можно проверить контакты USB 2.0, используемые для передачи данных и зарядки старых устройств. Подключите телефон к компьютеру кабелем USB-A — USB-C. Определяется ли он в виде устройства? В обоих направлениях? Если нет, желательно почистить контакты D- и D+, возможно, обе пары.
▍ Иногда можно заменить
Также очень хорошо, если вы можете разобрать устройство, достать коммутационную плату гнезда USB-C и проверить проводимость его контактов. Но что, если разъём слишком повреждён, и проводимость некоего контакта отсутствует, несмотря на пропайку? Это печальный сценарий, если только речь не идёт о достаточно популярном устройстве.
Лично я не удивлюсь возможному существованию тысяч различных типов разъёмов USB-C — каждый ноутбук или телефон в мире, похоже, использует немного отличный его вариант, механически несовместимый с другими. Если разъём USB-C в вашем дорогом устройстве перестанет работать, вы можете столкнуться с необходимостью поиска весьма редкой замены.
Кроме того, их также зачастую довольно сложно выпаивать и менять, учитывая, что такие разъёмы всегда представляют собой комбинацию SMD-деталей и деталей под сквозной монтаж. Иногда площадки SMD находятся прямо под разъёмом и оказываются недоступны. А в случае торцевых разъёмов они иногда расположены с обеих сторон платы. Нередко прямо рядом с контактами или даже над ними есть пластик. Всё это сильно затрудняет снятие разъёма с помощью горячего воздуха или паяльника.
Хорошо, что не все производители проектируют свои устройства настолько непродуманно. В новых MacBook разъёмы USB-C расположены на отдельных легко снимаемых деталях. Во многих телефонах порт USB-C находится на отдельной небольшой печатной плате. В обоих случаях можно просто купить сменную плату и без проблем установить ее взамен нерабочей. Понятно, что разборка современных телефонов — процесс хлопотный, но я думаю, можно быть благодарными даже за то, что в них предусмотрено хоть какое-то удобство.
Хлопковый тампон, пожалуй, уже не поможет. Зато можно без проблем измерить проводимость
По аналогии с MicroUSB в разъёмах USB-C обычно есть небольшие защёлки, расположенные внутри по бокам. Естественно, как и в MicroUSB, эти защёлки тоже изнашиваются. К счастью, решается это простой покупкой другого кабеля. А что, если речь идёт о вашем любимом кабеле, или вы хотите собирать собственные?
Вы также можете купить разъёмы USB-C с небольшими коммутационными платами, к которым можно будет припаять провода. Такие разъёмы позволят вам создавать собственные кабели. Лично я покупаю их с LCSC, поскольку на этом ресурсе представлено большое разнообразие, если знать где искать. Там есть разъёмы с подтягивающими резисторами, которые отлично подойдут для сборки кабелей USB-A — USB-C, но вот для варианта USB-C — USB-C резисторы лучше убрать. Ещё там есть штекеры, на которых представлены обе площадки СС, что очень удобно в случае сборки собственных удлинителей или чего-то подобного. Кроме того, на этом ресурсе можно найти разъёмы с запрограммированными микросхемами E-Marker — на случай, если вы хотите получить от БП 5В, и вам, помимо прочего, нужно собрать кастомный кабель.
Ну а раз мы уже заговорили о сборке собственных решений, то давайте разберём, как делать это правильно — опять же, ограничившись механическими аспектами дела.
▍ Общие правила для разъёмов
Для начала нужно обратить внимание на положительные особенности разъёмов USB-C. В подавляющем большинстве они содержат выводы под сквозной монтаж — долгожданное новшество со времён старых MicroUSB и MiniUSB, в которых самые дешёвые разъёмы предполагали только поверхностный монтаж, в результате чего разъём легко можно было сорвать с платы. Найти штекер USB-C полностью с поверхностным монтажом действительно трудно, что делает их механически надёжней.
Для электронщиков это несколько удорожает создание печатных плат и общую сборку. Вам нужно, чтобы выбранный производитель мог делать в печатных платах прорези, поскольку они требуются для установки большинства разъёмов USB-C, а при заказе печатной платы со сборкой вы получаете два или четыре дополнительных вывода под сквозной монтаж, требующие ручной пайки, что накладывает дополнительные расходы. Тем не менее это определённо к лучшему, а цены со временем снизятся.
Разъёмы USB-C имеют свой номинальный ток. Предполагается, что у них он должен составлять 5А, но мне попадались китайские изделия с номиналом всего 3А. Тут нужно смотреть в технический паспорт детали. Естественно, если вы устанавливаете на плату разъём с поддержкой 5А, то помните, что эти 5А он будет передавать, только если плата их запросит, что, в свою очередь, требует коммуникации через USB по протоколу PD — обычного двойного подтягивания резисторами 5.1кОм для этого недостаточно. Хорошо то, что если вы не собираетесь делать разъём конкретно под 5А, то проверять номинал не нужно.
Минус: чтобы маршрутизировать такую схему, необходимо использовать очень мелкие переходные отверстия. Плюс: смотрится так, будто она готова тебя съесть (фото с RealTimeKodi)
Причина такого разнообразия разъёмов USB-C в том, что существует великое множество способов их размещения — поверх платы горизонтально или вертикально; вертикально, направив в бок; вровень с платой при разной высоте; ну и просто использование изделий разного качества. Также существует огромное число вариантов вывода высокоскоростных пар, если вам они в разъёме нужны. Некоторые для получения высокой скорости используют площадки SMD, другие же — монтаж в отверстия. Причём всё это лишь вершина айсберга.
Однако подойдёт вам не всякий разъём, что несколько ограничивает столь огромную вариативность. Во-первых, вы встретите разъёмы без вывода контактов CC, которые будут работать только с кабелями USB-A — USB-C. Можно предположить, что подобные разъёмы могут использоваться в дешёвых паяльных наборах для новичков. Хотя такие в любом случае использовать не стоит. Также есть много разъёмов, в которых площадки SMD под пайку контактов полностью скрыты. И если ваш навык нанесения паяльной пасты через трафареты недостаточно высок, то исправлять проблемы с пайкой на таких разъёмах будет очень проблематично.
▍ Низкая скорость — простые правила
Настраиваемая триггерная плата USB-C с поддержкой PD и проверенным временем 16-пиновым разъёмом на основе микросхемы CH224K
Предлагаю ограничиться USB 2.0, СС и, конечно же, VBUS и GND. В качестве оптимального проверенного разъёма электронщики обычно берут 16-пиновый SMD-вариант. Его можно встретить на макетных платах, дешёвых товарах с USB-C и во многих самоделках — особенность этого разъёма в том, что он в некотором роде определён в спецификации USB-C. В KiCad схема его посадочного места представлена как USB_C_Receptacle_HRO_TYPE-C-31-M-12 с соответствующим символом USB_C_Receptacle_USB2.0, но HRO явно не первыми разработали этот разъём, и существует множество аналогов, совместимых с ним по распиновке и посадочному месту. Кроме того, как уже говорилось, здесь у вас будут линии SBU, которые можно использовать для чего-то вроде UART. Вы также можете убрать эти площадки SBU со схемы посадочного места, как показано на фото, чтобы исключить два лишних контакта, которые можно случайно замкнуть при пайке.
Найдя симпатичный альтернативный разъём, обязательно сопоставьте нумерацию его контактов из технического паспорта с нумерацией на схеме посадочного места на печатной плате. Бывали случаи, когда в паспорте эти номера отличались от типичных, или же он вводил в заблуждение, приводя к ошибкам и последующим многочасовым исправлениям после обнаружения неполадок. Читая технический паспорт, также обратите внимание, не указана ли в нем рекомендуемая толщина платы для установки подобного разъёма. Несмотря на то, что они устанавливаются поверх платы, ее толщина может определять сложность пайки контактов. Но это скорее рекомендация, нежели требование.
Плата Fluff M0 [deshipu]
Естественно, не стоит бояться искать и использовать любые желаемые разъёмы. К примеру, если вам не нужен USB 2.0, и хотелось бы поменьше проблем с пайкой, то есть весьма неплохие варианты, в которых представлены лишь контакты GND, VBUS и CC. Как правило, если вам понадобится разъём, в точности подходящий под ваш случай, то вы всегда такой найдёте, а в качестве проверенного варианта можете иметь ввиду тот самый 16-пиновый, о котором писалось выше. Ах да, если вы используете плату толщиной 0.8мм и сильно хотите сэкономить, то можете встроить разъём прямо в неё. Возможно, получится не очень красиво, и в конечном итоге он может вас подвести, но все же какое-то время должен проработать достаточно хорошо.
▍ Высокая скорость — высокие требования
Что, если вам вдруг потребуются разъёмы с доступом к высокоскоростным линиям? К сожалению, на этот случай конкретную модель я не порекомендую, но могу дать несколько советов.
Для случаев, когда вам совсем не нужна возможность проконтролировать собственную пайку (фото с Cyber City Circuits)
Если вы хотите использовать высокоскоростной разъём, то один из вариантов — это поискать существующий проверенный опенсорсный дизайн, который покажется вам удобным для пайки. Также можете найти несколько, на ваш взгляд, подходящих разъёмов, заказать образцы, спроектировать плату с пробными посадочными местами под них, затем попробовать собрать несколько и посмотреть, как оно пойдёт.
Если вы нашли онлайн схему посадочного места, которое вроде как должно подойти к выбранному разъёму, внимательно сверьте и перепроверьте размеры — даже если название этой схемы точно совпадает с номером разъёма. Два месяца назад я решила собрать коммутационную плату, несущую все высокоскоростные линии для разъёма USB-C, чтобы сигналы хотя бы походили на дифференциальную пару. Она не особо подходит для повседневного использования в роли USB3 или DisplayPort, поскольку я заказала ее в виде двухслойной платы, и импеданс у неё неточный. Однако такой вариант всё равно лучше обычных коммутационных плат, на которых «скоростные» дорожки поворачивают под 90°.
Я нашла в KiCad схему посадочного места, которое казалось удобным для пайки — на ней предполагался сквозной монтаж ряда контактов под корпусом и присутствовали площадки под поверхностный монтаж ряда контактов вне корпуса с возможностью подлезть паяльником. На LCSC я подобрала несколько разъёмов, которые должны были под эту схему подойти. Когда же пришло время их паять, выяснилось, что контакты экрана в передней части на несколько миллиметров смещены от посадочных мест. Кроме того, отверстия в печатной плате под сквозной монтаж после нанесения покрытия оказались слегка маловаты — в следующей версии я определённо сделаю их больше.
▍ Торцевой монтаж разъёмов
Вы вполне можете найти интересный торцевой разъём с внутренними высокоскоростными контактами под сквозной монтаж. В этом случае при проектировании схемы платы вы можете столкнуться с невозможностью вывести два самых углублённых сигнала — один CC и один SBU. Как вариант, можно опустить эти контакты, если посадочное место предназначено для штекера USB-C — в этом случае вы не используете SBU, и вам не нужен второй вывод для VCONN, который, по сути, является неиспользуемым контактом CC, задействуемым в качестве питания для E-Marker.
Но можно и решить эту проблему. Первый способ — это использовать многослойную плату и вывести контакт через внутренний слой, где нет кольцевых сквозных выводов. Второй способ предполагает использование дорожек, достаточно маленьких, чтобы они могли обогнуть разъём по краю платы. Есть ещё и третий вариант, при котором вы можете уменьшить ширину двух площадок под сквозной монтаж вокруг двух интересующих контактов верхнего слоя, чтобы между ними уместилась дорожка.
Разъёмы на плате внедрения полезной нагрузки для Nintendo Switch
Бо́льшая часть из упомянутого мной в равной степени применима к разъёмам и штекерам. Естественно, здесь есть свои характерные для разъёмов особенности. К примеру, существуют разъёмы с промежуточным монтажом, несущие весь набор контактов, распределённых по две стороны платы. Кстати, паять такие очень удобно. С другой стороны, понятия не имею, как подобные разъёмы паяют на заводе — судя по разобранным мной устройствам, для этого используется метод оплавления, а не ручная пайка — но поскольку площадки SMD, к которым крепится разъём, есть на обеих сторонах, мне непонятно, как можно применить к подобной плате трафарет, особенно в масштабной производственной среде. Может, у вас есть идеи?
Ещё один интересный вопрос касается того, что можно подключить к гнезду лишь одну пару контактов USB 2.0, то есть вторая их пара должна остаться неподключенной. В некоторых гнёздах под пайку вторая пара контактов USB 2.0 и вовсе отсутствует. Я не совсем понимаю, почему этого нельзя сделать, особенно с учётом того, что почти в каждой схеме печатной платы с USB-C эти контакты идут параллельно, и в данном случае это было бы такое же параллельное соединение.
Вот и всё, что могло бы вас заинтересовать по теме механики разъёмов USB-C. Если о чем-то вдруг не было сказано, пишите в комментариях.
Автор: Дмитрий Брайт
