USBにVcc = 5Vおよびhigh = 3.3Vがあるのはなぜですか？
回答:
低速USBのデータラインには、トランスミッタの次の特性の差動信号電圧があります。-
ロースピードおよびフルスピードのデバイスでは、15Kオームの抵抗をグランドに引いてD +を2.8V以上、1.5Kオームの抵抗を3.6Vに引いて0.3V未満にすると、差動「1」が送信されます。一方、差動「0」は、同じ適切なプルダウン/アップ抵抗で、2.8Vを超えるD-と0.3Vを下回るD +です。
そして、受信機の仕様は次のとおりです。-
レシーバーは、差動「1」をD +より200mV大きいD +と定義し、差動「0」をD-より200mV小さいD +と定義します。
ここからの情報は、3V6と表示されている場合、実際には3V3を意味していることに注意してください。
高速USBシステムの場合、電圧レベルは小さくなります。-
おそらく、送信ロジックレベルは、5Vまたは3V3のロジックシステムとは何の関係もないことを伝えることができます。電力供給は、5Vおよび3V3システムとの互換性をかなり簡単にする単なる通常の電力供給です。
より高い電圧により、デバイスへの電圧降下を補償できます。USBが3.3vの場合、長いケーブルと0.5vのドロップを備えたコネクタの不良がある場合、デバイスは2.8vでのみ動作します。電圧が5vの場合、使用できる電圧はまだ4.5vであり、LDO電圧レギュレータを実行するにはこれで十分です。
電源ピンの5V電圧は、電力を必要とするデバイスの単なる給電です。USBが導入された時点では、5Vと3.3Vの両方のデバイスが一般的であり、目標は両方のシステムをサポートすることでした。3.3Vの代わりに5Vを電源電圧として使用することには（少なくとも）2つの利点があります。
- より高い電力を必要とするデバイス（外部HDDなど）では、同じ供給電流でより高い電圧を使用すると、より多くの電力が得られます。3.3Vを供給電圧として使用し、電流を増加させることは、送信するためにより太いワイヤを必要とするため、等しく良いとは言えません。
- 3.3V低電力デバイスの場合、単純なLDOを使用して3.3Vを5Vから3.3Vに調整する方が、その逆の場合よりもはるかに簡単で、安価で、効率的です。後者には、より複雑なスイッチモードブーストコンバータが必要です。
データピンの場合は、3.3Vと5Vの両方のデバイスをできるだけシンプルにサポートするためのものでもあります。5Vデバイスの入出力は、最大3.3Vを解釈して出力するように設計できます。高レベルとして。数十年前のTTL規格では、高レベルとして2.4Vのみが必要であったため、理論的には（入力として）3.3V互換です。
対照的に、データバスが5Vレベルで動作するように選択されると、3.3Vデバイスで問題が発生します。入力は簡単に5Vトレラントにできますが、出力では、単一の電源電圧を使用して5Vを出力することはできません。レベルシフター（内蔵または外部）と両方の供給電圧が必要です。特にUSBのような双方向バスでは、以前よりも複雑になります。
差動バスの電圧レベルを決定する際の主な要因は、消費電力です。電圧/ビットレートが高いほど、消費電力は高くなります（これは読者には明らかなはずです）。特に、非常に高速の信号または複数の負荷ポイントがある場合、電力消費は増幅されます。他の方向で同じ問題を考えると、より高い電圧レベルをドライバーの観点から達成するのが難しくなり、したがって伝送速度が制限されます。多くの最新のバス（USBを含む）で使用される（速度を保証する）電流モード駆動により、データラインの電圧スイングを低くすることができます。
別の注意として、反射または信号の不完全性は、オーバーシュート/アンダーシュートになります。バスに本質的に高い電圧がすでにかかっている場合、重畳された（およびより高い電力の）過渡現象はデバイスで許容できない場合があります。その力も無駄になります。この現象の極端なケースは、RFトランスミッターからアンテナを切断する場合です。送信機に十分な電力がある場合、無線が危険にさらされます。EMIなどの他の要因も考慮することができます。終了時の散逸熱はどうですか？与えられたZ0に対して、より多くの揮発、より多くの熱。
そのため、低速/フルスピードUSBは3.3Vを使用し、USB 2.0以降はさらに低い800 / 400mvを使用します。通常、特定のインターフェイスにとって意味のある最低電圧を適用します。多くの高速インターフェース（イーサネット、can、hdmi、pci、lvdsなど）はすべて、同じティアで低電圧信号を使用することに注意してください。
もう1つの理由は、接続が正しく機能していることの信頼性です。より大きな範囲はノイズに対してより強力です（ビットの状態を変更するにはより高い電圧のノイズが必要なため）。