¿Por qué el USB tiene Vcc = 5V y alto = 3.3V?

Estoy pensando en agregar soporte USB a un dispositivo mío usando V-USB. Por lo que leí allí y en otros sitios, el USB parece tener solo 3.3V como un alto nivel en los pines de datos, mientras que el voltaje suministrado por USB es de 5V.

¿Cuál es la razón detrás de eso? Para mí, solo parece complicar más las cosas, ya que de esa manera necesito trabajar con múltiples voltajes en el tablero o reducir completamente el Vcc a 3.3V.

Las líneas de datos en USB de baja velocidad tienen un voltaje de señal diferencial de las siguientes características para el transmisor: -

En dispositivos de baja y plena velocidad, se transmite un diferencial '1' tirando D + por encima de 2.8V con una resistencia de 15K ohmios puesta a tierra y D- por debajo de 0.3V con una resistencia de 1.5K ohmios tirada a 3.6V. Por otro lado, un diferencial '0' es un D- mayor que 2.8V y un D + menor que 0.3V con las mismas resistencias pull down / up apropiadas.

Y para el receptor la especificación es: -

El receptor define un diferencial '1' como D + 200mV mayor que D- y un diferencial '0' como D + 200mV menor que D-.

Información tomada de aquí y tenga en cuenta que donde dice 3V6 en realidad significa 3V3.

Para sistemas USB de alta velocidad, los niveles de voltaje son más pequeños: -

Como probablemente pueda ver, los niveles lógicos de transmisión no tienen nada que ver realmente con los sistemas lógicos 5V o 3V3. La fuente de alimentación es solo una fuente de alimentación normal que hace que la compatibilidad con los sistemas 5V y 3V3 sea bastante fácil.

El voltaje más alto permite la compensación por la caída de voltaje en el dispositivo. Si el USB era de 3.3v, entonces si tenía un cable largo y conectores deficientes con 0.5v de caída, el dispositivo solo funcionará a 2.8v. Si el voltaje es de 5v, todavía tiene 4.5v para trabajar y eso es suficiente para ejecutar un regulador de voltaje LDO.

El voltaje de 5V en los pines de alimentación es solo una fuente de alimentación para un dispositivo que necesita energía. En el momento en que se introdujo el USB, los dispositivos de 5V y 3.3V eran comunes y el objetivo era admitir ambos sistemas. Hay (al menos) dos ventajas de usar 5V como voltaje de la fuente de alimentación en lugar de 3.3V:

• Para los dispositivos que necesitan una mayor potencia (p. Ej., Un HDD externo), el uso de un voltaje más alto en la misma corriente de suministro produce más potencia. Usar 3.3V como voltaje de suministro y aumentar la corriente no sería igual de bueno, ya que requeriría un cable más grueso para transmitir.
• En el caso de un dispositivo de baja potencia de 3.3V, es mucho más simple, más barato y más eficiente regular 3.3V desde 5V usando un LDO simple que viceversa. Esto último requeriría un convertidor de aumento de modo de conmutación que es más complejo.

El caso de los pines de datos también es para admitir dispositivos de 3.3V y 5V lo más simple posible. La entrada / salida de un dispositivo de 5V se puede diseñar para interpretar y emitir 3.3V máx. como de alto nivel. El estándar TTL de hace décadas ya requería solo 2.4V como nivel alto, por lo que en teoría son compatibles con 3.3V (como entrada).

En contraste, si el bus de datos fuera elegido para operar en niveles de 5V, causaría problemas para los dispositivos de 3.3V. Aunque se puede hacer que una entrada sea fácilmente tolerante a 5V, en una salida no es posible emitir 5V usando un solo voltaje de suministro. Requiere una palanca de cambio de nivel (incorporada o externa) y ambos voltajes de suministro. Es, por supuesto, más complicado que el anterior, especialmente en el bus bidireccional como el USB.

Un factor principal al determinar los niveles de voltaje para un bus diferencial es el consumo de energía. Cuanto mayor sea la tensión / tasa de bits, mayor será el consumo de energía (esto debería ser obvio para el lector). En particular, el consumo de energía se amplifica cuando tiene señales de muy alta velocidad o múltiples puntos de carga. Si piensa en el mismo problema en la otra dirección, un nivel de voltaje más alto será más difícil de lograr desde la perspectiva del conductor, lo que limitará la velocidad de transmisión. La conducción en modo actual (que garantiza la velocidad) utilizada en muchos autobuses modernos, incluido USB, permite cambios de voltaje más bajos en las líneas de datos.

En otra nota, las reflexiones o imperfecciones de señalización darán lugar a sobre / subimpulsos. Si ya tiene un voltaje intrínsecamente alto en el bus, es posible que el dispositivo no tolere los transitorios superpuestos (y de mayor potencia). Ese poder también va en vano. El caso extremo de este fenómeno es cuando desconecta la antena de un transmisor de RF. Si tiene suficiente potencia en el transmisor, pondrá en peligro la radio. También puede tener en cuenta otros factores, como EMI. ¿Qué tal el calor disipado en la terminación? Para un Z0 dado, más volatge, más calor.

Es por eso que el USB de baja / plena velocidad usa 3.3V, USB 2.0 y más tarde usa el 800 / 400mv aún más bajo. Por lo general, queremos aplicar el voltaje más bajo que tenga sentido para la interfaz específica. Recuerde que muchas interfaces de alta velocidad (como ethernet, can, hdmi, pci, lvds y muchas más) utilizan señales de bajo voltaje en el mismo nivel.

La otra razón puede ser la confianza de que la conexión funciona correctamente. Un rango mayor es más potente contra el ruido (porque necesita ruido con un voltaje más alto para cambiar el estado del bit).