RESUMEN TÉCNICO SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS DE UN CABLE USB DE ALTA CALIDAD

INTRODUCCIÓN:

Si bien muchas veces el usuario no técnico tiende a ver los cables USB como un elemento sencillo (y esto también se puede extender como un serio error en relación a todo tipo de cable usado en sistemas de información), realmente no es así y de la buena calidad y correcta construcción del cable suele depender fuertemente el resultado obtenido con un dispositivo, tanto en performance, como confiabiidad y operatividad.

Muchos problemas de los que vemos a diario (Discos externos que pierden conectividad y producciendo corrupción de sus datos, velocidades de transferencia pobres entre un sistema y otro o entre un sistema y un periférico del mismo, no reconocimiento de un periférico por su sistema host, funcionamientos aleatorios, etc.) se deben simplemente al uso de cables inadecuados tanto en la calidad de sus componentes como en su concepcion y armado.

Por eso siempre le recomendamos a nuestros clientes que mire con gran atención este detalle y que no piense que por ahorrar unos pocos dólares en comprar cables de baja calidad, ha hecho un gran negocio. Muchas veces las diferencias de costos son irrisorias frente al costo de los equipos y periféricos puestos en juego, pero por ese afán "deportivo" de pagar siempre lo menos posible, se termina obteniendo el resultado por el que se pagó y este suele ser un mal resultado y grandes dolores de cabeza, pues otro de los problemas que suelen generar los cables es que luego de pasar la "prueba de continuidad" (o sea conectan o no conectan) son "declarados" infundadamente "inocentes" de toda culpa o fuente de problema y quedan allí como "intocables" perjudicando el funcionamiento de toda una instalacion de las más diversas maneras.

Si bien esto es válido para cualquier tipo de cable, en esta nota nos centraremos en los cables USB, donde en el mercado se ven realmente ejemplares de cable dignos de un "museo del terror" (desde los armados en "el galponcito del fondo del taller" con conexiones y empalmes nefastos, los hechos con conductores y arquitecturas totalmente inadecuadas o lo no menos común teniendo longitudes que exceden lo aceptado por las normas.

¿Por qué insistiremos muchas veces en esta nota sobre el cumplimiento de las normas (en este caso la normativa USB Versión 2.0 ó USB 3.x (según desde que página haya llegado hasta aquí) que el usuario puede consultar en detalle en USB-IF )? Muy simple. En el mercado hay entre equipos, periféricos, dispositivos, etc. millones de elementos que dependen para su funcionamiento de una conexión USB. En general esos dispositivos suelen ser de fabricantes distintos y por lo tanto la única forma de asegurar que en conjunto funcionen correctamente es que todos los fabricantes (incluidos los fabricantes de cables) hayan respetado estrictamente dichas normas, pues al hacerlo asegurarán que cada elemento se comportará y brindará las funciones para las cuales fue diseñado y fabricado. El no hacerlo, en forma grosera sería como tratar de sujetar dos piezas mecánicas usando un tornillo de sección redonda ajustado con una tuerca cuyo agujero es cuadrado: muy casualmente podrá resultar...pero en el 99,9% de los casos no lo hará o será una unión no confiable.

En esta nota nos ocuparemos de resumir las principales especificaciones dadas por la norma USB 2.0 a fin de que Ud. tenga los elementos de juicio necesarios para saber cuando compra un cable USB para ser usado en un entorno USB 2.0 ó USB 3.x de alta performance, cuales son los datos a pedir o verificar. Y como el tema podría ser muy extenso no hemos concentrado en el cable estándar USB 2.0 o sea el destinado a unir un host USB 2.0 con un dispositivo USB 2.0 y luego mostraremos las diferencias esenciales que aparecen cuando se trata de cables USB 3.x. Esto que pareciera una limitación, realmente no lo es, pues realmente los puntos claves expuestos son comunes a todos los otros tipos de cables USB (prolongadores, miniUSB, etc.) 

COMPOSICIÓN DEL CABLE USB

En el siguiente esquema presentamos la arquitectura general que debe seguir un cable USB 2.0 para ser apto para conexiones High Speed (480 mbps) o Full Speed (12 Mbps).

Las dimensiones del gráfico anterior son dadas en mm y si bien son de refencia, son los valores establecidos en la norma y por lo tanto cuanto más se ajuste el cable a los mismos menos chance habrá de problemas de compatibilidad con elementos que han sido fabricados con estricto respecto a la norma

En el corte del cable se ven los hilos componentes del mismo sobre los cuales hablaremos más adelante, pero ellos son:

Rojo: Lleva la alimentación de 5 V CC del host al dispositivo (Vbus)

Negro: es la masa de referencia común que tomarán todas las señales tanto del host como del dispositivo

Par Verde/Blanco (marcados como D+ y D-) son los hilos que llevan la señal o datos y normalmente dicho par será un par torsionado entre si (twisted) en un cable de alta calidad apto para HighSpeed y  FullSpeed (esta condición no es necesaria para Low Speed)

Cable de drenado de corriente estática (el mismo debe tener un diámetro mínimo de 28 AWG)

(Aquí vale un comentario: Existe en general un gran confusión entre el tema de la velocidad y el decir que el cable responde a tal versión de la norma. Realmente la norma USB 2.0 acepta como cumpliendo la misma tanto dispositivos que sean capaces de trabajar a la máxima velocidad de 480 Mbps a los cuales denomina High Speed o que sean capaces de trabajar a velocidades moderadas de 12 Mbps a los cuales denomina Full Speed. O sea es un error el suponer que USB 2.0 implica 480 Mbps. Justamente la aceptación que hace la norma de la transmisión a Full Speed es el puente de compatibilidad o coexistencia con la versión anterior de la normativa o sea la especificación USB 1.1. Y algo similar ocurre cuando se introduce la norma USB 3.x pues la misma introduce el concepto se SuperSpeed...pero sigue guardando compatibilidad con las versiones anteriores teniendo un par torsionado dedicado a las conexiones en las velocidades precedentes y un leve aumento de la dimensión de los conectores para alojar los dobles contactos USB 2.0/USB 3.x)

REQUERIMIENTOS GENERALES PARA EL CABLE

Como indicamos antes estableceremos los requerimientos indicados por la norma USB 2.0 para el caso de cable de dispositivo High Speed/Full Speed, pero dichos requerimientos, excepto para el tipo de conector del lado dispositivo, son los mismos para los otros tipos de cables.

• El cable de tener en un extremo un conector tipo A con cuerpo del plug inyectado y en el otro extremo un conector tipo B también con tecnología de plug inyectado ("overmolded" en inglés). (O sea aquellos cables con terminales armados "a mano" y en base  soldado u otra técnica de fijación del conector al cable no cumple la especificación, y nuestra experiencia nos indica que dicho tipo de armado suele ser fuentes de grandes problemas, de ruido, de baja confiabilidad y pérdidas de nivel de señal no compatibles con la norma)

• El cable debe cumplir tanto las especificaciones adecuadas para High Speed como para Full Speed

• La impedancia del cable debe ser compatible ("match") con la impedancia de drivers de Full Speed y High Speed que establece como aceptables la norma

• La máxima longitud del cable es establecida por varios factores (a ser cumplidos todos ellos):

  • La atenuación de señal producida por el par torsionado de transmisión de datos

  • La demora (delay) de propagación en el mismo

  • Por la caida de voltaje máxima aceptada sobre el cable de masa (GND) con el cable trabajando a máxima potencia

  • Por la caida de voltaje máxima aceptada sobre el cable de alimentación Vbus en el mismo supuesto de operación a máxima potencia (o sea los hilos GND y Vbus tienen los mismos requerimientos pues en realidad el primero es el camino de retorno de la corriente enviada por el host al dispositivo)

• La diferencia entre los tiempos de propagación sobre los conductores de datos D+ y D- debe ser minimizada y estar por debajo del valor establecido por la norma

Como se podrá ver excepto los dos primeros puntos que si bien son también cualitativos, quedan definidos en si mismos,los otros puntos hacen referencia a otros valores establecidos por la norma. Esto es bastante común cuando se trabaja con estándares, pues los mismos tratan de establecer condiciones que por un lado sean concretas, pero que por el otro lado dejen espacio a un amplio rango de implementaciones todas cayendo dentro de la norma y contemplando otras condiciones particulares que pueda tener una dada aplicación. En el punto siguiente indicamos dichos marcos de referencia, los cuales se pueden luego volcar como datos concretos en el momento de elegir el cable (Esto es más o menos obvio: La norma de ninguna manera va a decir el diámetro de tal hilo debe ser de xxx mm, pues no sería lo mismo para un cable de 50 cm que para uno de 1,50 m y así podríamos mencionar n variantes. Lo que va a establecer la norma es un encuadre o límites. Dentro de ellos, el cable cumple la especificación y puede ser certificado que cumple la norma USB 2.0 y por lo tanto portar el correspondiente logo)

LOS VALORES CONCRETOS

De acuerdo a lo dicho en los puntos 3ro (y sus subpuntos) y 4to del párrafo precedente se pueden establecer valores concretos para cumplir por un cable certificado.:

• Los hilos de power son recomendados de estar en el rango de 28 AWG* como mínimo y 20 AWG como máximo para su diámetro (para cables sometidos a alto consumo es conveniente que este valor sea 24 AWG o superior)

• El par de datos debe ser torsionado y con un diámetro de 28 AWG

• El conjunto debe estar envuelto por una malla de poliester aluminado, provista con un cable de drenado de cobre estañado de 28 AWG de diámetro

• Una malla de cobre estañado (hilos de cobre entretejidos) con una cobertura > al 65% debe recubrir todo el anterior conjunto por encima del envoltorio de poliester aluminazado

• El cable debe estar cubierto por una cobertura de PVC con especificaciones antiflama UL94-V0 ó superior y cumplir con normativas CSA y UL relativas al retardo de propagación de llama

(* Se debe recordar que los calibres AWG son inversos o sea a menor número del mismo, mayor es el diámetro del hilo de cobre correspondiente. La relacón entre el calibre americano para cables y las medidas del sistema métrico decimal son las mostradas en la siguiente tabla)

LA LONGITUD DEL CABLE

Al hablar de los requerimientos cualitativos generales se establecieron las pautas que deberían fijar la máxima longitud de un cable para cumplir las especificacions de la USB-IF.

Para poder estimar esto un dato esencial es conocer los datos típicos de resistencia que ofrecen los distintos hilos utilizados en su fabricación de acuerdo al AWG del mismo. Ese valor es presentado en la siguiente tabla

La máxima caida de tensión soportada por la norma sobre los hilos GND y Vbus es de 125 mV, lo cual nos diría que en base a esta restricción un cable con hilos de alimentación de 24 AWG no podría exceder mucho más allá de los 2,75 m. Sin embargo la norma también establece valores para el delay de señal en el par de datos y realizando los cálculos correspondientes se llega que no se deberían usar cables pasivos (o sea sin ninguna amplificación y corrección de señal) de mucho más de 2 metros cuando se usa para el par de datos un 28 AWG que es en general lo más normal

    Desde ya que sería imposible resumir aquí con total precisión la especificación completa (que consta de varios cientos de páginas) . Nuestra idea no ha sido esa....sino el por un lado brindarle algunas herramientas básicas como para evitar que en lugar de venderle un buen cable, "le enrosquen la víbora" y por el otro lado hacerle ver "que un simple e inofensivo cable" es bastante más complejo y que realmente tiene un impacto transcendental en la calidad de los resultados que puede esperar de sus dispositivos USB.

Si Ud tiene los conocimientos técnicos suficientes y quiere profundizar en el tema, una copia completa de la norma la puede bajar con el siguiente link:

Universal Serial Bus Revision 2.0 specification

COMENTARIOS ADICIONALES SOBRE USB 3.x

   Para el caso del USB 3.x se siguen manteniendo los mismos conceptos básicos que en USB 2.0, con los ajustes de diseño propios al soporte del modo SuperSpeed de 5 Gbits/seg, SuperSpeed+ de 10 Gbits/seg y 20 Gbits/seg

No queremos aburrir al lector con un largo desarrollo de dichas diferencias, pues los puntos de "alarma y control" a considerar cuando se compra un cable de este tipo son el fondo los mismos: verificar diámetros de cables, verificar tipo de mallado ofrecido por los cables, verificar longitudes máximas sugeridas en función del consumo a soportar, verificar que las piezas de conexión sean como se describió antes piezas inyectadas y montadas en el proceso de fabricación del cable y no "soldadas en el galponcito del fondo", etc.

Además del posible aburrimiento que este desarrollo largo provocaría en Ud., dado que la norma USB 3.x es reciente al momento que hemos escrito esta revisión de la nota, la misma está teniendo todavía cambios y ajustes muy frecuentes...por lo cual si definiésemos muy en detalle valores y características aquí, muy posiblemente quedarían desactualizadas en corto tiempo. Por eso aconsejamos que el lector interesado baje con el siguiente link el original del estado actual de la norma y revise alli el dato específico que desea. Por eso sólo destacamos lo muy "grueso" como para que tenga una guía suficiente si lo junta a los criterios expuestos para USB 2.0 (es obvio que un cable para poder ser certificado USB 3.x...debe también cumplir con lo establecido para USB 2.0 y algo más...)

Universal Serial Bus Revisión 3.2 specification

Los puntos destacados en USB 3.x son:

• Si bien está claramente definido el conector a ser usado del lado host (que sigue siendo en formato general el mismo conector tipo A propuesto en la norma USB 2.0), no hay todavía un total acuerdo de los distintos fabricantes y actores de la estandarización sobre el formato de conectores del lado dispositivo, de ahí que varios formatos son todavía discutidos, agregados y quitados. De lo que hemos visto de los grandes fabricantes de dispositivos USB 3.x como Transcend y otros, los mismos han adoptado el conector micro-B para sus dispositivos...pero como dijimos antes no todos han hecho lo mismo y hay quienes adoptaron el formato USB 3.x tipo B (que es una extensión del conector usado en USB 2.0), otros el formato micro-AB y finalmente unos terceros que adoptaron el formato tipo A (o sea igual al usado del lado host) autorizado en USB 3.x por la norma pero no aconsejado excepto para casos particulares.

• A diferencia del USB 2.0 que usaba 4 ó 5 contactos y la carcaza como puntos de conexión, la norma USB 3.x requiere de 9 ó 10 contactos y la carcaza. La carcaza siempre debe estar vinculada al mallado más externo del cable y en los equipos vinculado a la "puesta a tierra" de los mismo. Las diferencias de 4 ó 5 en 2.0 y 9 ó 10 en 3.x se deben a si es un cable con soporte OTG (On the GO) o no. Nosotros en lo que sigue hablaremos del caso no-OTG que es el más común o sea usando 9 contactos en USB 3.x

• Los 9 contactos usados en USB 3.x se tienen 4 que son con posiciones y funciones idénticas a los de la norma USB 2.0. Para poder acomodar los otros 5 contactos requeridos por USB 3.x lo que se ha hecho es disponer los 4 contactos comunes con USB 2.0 en una posición más interna (al fondo) en los receptáculos (conectores "hembra") y los nuevos 5 contactos en una posición más externa (frontal) en los receptáculos como se podrá observar en la foto siguiente. Obviamente en los plugs (conectores "macho") el desplazamiento es justamente en el sentido contrario...tal que cada juego de contactos coincidan al conectarse plug con receptáculo y que no haya problemas de compatibilidad cuando un plug USB 3.x se inserta en un receptáculo USB 2.0 o viceversa. Esto ha hecho tanto los receptáculos como plugs USB 3.x tengan unos mm más de longitud (sugeridos 16,5 mm vrs los 12 mm usados en USB 2.0 para el caso de los plugs), pero han conservado la mismo formato de sección transversal tal que mecanicamente sean compatibles con las anteriores versiones.
  

• Como se dijo antes de los 9 contactos 4 son idénticos a los usados en USB 2.0 o sea un contacto usado para la tensión de alimentación de bus Vbus (5 V CC), otro para la conexión de la masa del bus (GND) y los otros dos para la transmisión de datos D+/D- . Estos 4 contactos son los que se usan cuando la conexión opera en modos HighSpeed, FullSpeed o LowSpeed. En USB 3.x se corrigió un problema de concepción del USB 2.0 que limitaba fuertemente las velocidades reales obtenibles casi a la mitad de los teóricos 480 Mbits/s pues USB 2.0 es un protocolo half duplex o sea que cuando se transmite no se recibe y viceversa. O sea sólamente la mitad del ancho de banda se puede usar en cada sentido de la conexión. Para superar este problema en USB 3.x operando a SuperSpeed de 5 Gbits/s lo que se ha hecho es dedicar una guía de onda (o sea un par de contactos con su par de hilos de cobre trenzado conectado a los mismos) a las transmisiones host a dispositivo y otra guía de onda totalmente independiente a las recepciones del host desde el dispositivo. Y cada guía tiene el ancho de 5 Gbits/seg...por lo cual a diferencia del USB 2.0 los 5 Gbits/s son realmente obtenibles en USB 3.x. En pocas palabras USB 3.0 es full duplex con caminos de emisión y recepción independientes y de operación simultánea a 5 Gbits/s cada uno de ellos. Estos dos canales adicionales insumen 4 de los otros 5 contactos. Dada la alta frecuencia y mayor carga de estos dos canales se ha establecido la conveniencia de proveer un camino de retorno independiente para la corriente drenada del host al dispositivo por dichos canales de datos, siendo este el motivo del 5 contacto que es una masa de drenado de los canales de datos SuperSpeed

• A fin de que no haya confusión entre si un cable es para USB 2.0 o para USB 3.x se ha establecido que el material de apoyo de los contactos en los plugs y receptáculos USB 3.x sean de color azul celeste y se mantenido el color blanco de dicho material para los plugs/receptáculos USB 2.0. Esto permite una identificación visual rápida sin tener que andar contando la cantidad de contactos presentes

• Obviamente el cable USB 3.x pasará de tener 5 hilos de cobre como tenía el USB 2.0 a tener 10 hilos como se muestra en el siguiente esquema.
  
  

Rojo Vbus
Negro Vbus GND
Verde y blanco D+/D- para los modos de "baja" velocidad HS, FS y LS
Azul y amarillo para uno de los pares SuperSpeed
Púrpura y anaranjado para el otro par usado en SuperSpeed
Gris o negro para los conductores de drenaje de retorno del pares SS

La norma establece la obligatoriedad de que los pares trenzados para los canales SuperSpeed sean blindados cada par en forma independiente. El par D+/D- puede estar o no blindado en forma independiente.

• Con respecto al diámetro de los hilos de cobre (o diámetro equivalente pues la mayoría de estos cables para no ser excesivamente duros y poco flexibles  se arma con cables multipar donde se unifican varios pares para construir un único nuevo par de mayor sección transversal), la norma aconseja (usando calibres estándar americanos AWG)
  Para Vbus y Vbus GND 20AWG a 28AWG
  Par D+/D- 28AWG a 34AWG
  Pares para SuperSpeed 26AWG a 34AWG
  Drenajes de corriente de los pares SS 28AWG a 34AWG

Bueno esperamos que esta nota le haya sido de ayuda. Si no ha encontrado en la misma lo que buscaba puede consultar las normas cuyo link le hemos pasado o consultarnos a nosotros via la página de "contáctenos"

LE PEDIMOS A LOS LECTORES QUE SI ALGÚN LINK PASADO EN ESTA NOTA TÉCNICA DEJA DE FUNCIONAR CUANDO NOS VISITA...NOS LO AVISE ASÍ CORREGIMOS DICHO LINK