USB typu C. Kabel sygnałowy przyszłości

Złącze USB to jedna z technologii komunikacyjnych, które odniosły największy sukces. Od wielu lat jest stosowana w niemal wszystkich rodzajach urządzeń i systemów elektronicznych. Znane formaty typu A (oryginalny, pełnowymiarowy wtyk USB) oraz typu B są powszechnie używane w urządzeniach konsumenckich, takich jak komputery i smartfony. Nowa wersja złącza USB stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie elektroniki użytkowej. Złącze typu C ma mniejsze wymiary w porównaniu ze złączem USB typu A, przepustowość umożliwiającą przesyłanie sygnałów wideo o rozdzielczości HD (10 Gb/s) oraz możliwość zasilania laptopów (do 100 W). Przewiduje się, że przewody USB-C zastąpią w przyszłości złącza starszego typu we wszystkich rodzajach urządzeń, przez co staną się przewodami uniwersalnymi. Obecnie dostępne są złącza oraz kable USB-C wiodących producentów, m.in. TE Connectivity i Molex. Firma RS oferuje własną serię produktów RS Pro.

Funkcjonalność umożliwiająca rozwój

Jedną z największych zalet złącza USB-C są jego małe wymiary, a w szczególności niewielka grubość. Złącze o grubości 2,4 mm jest tylko nieznacznie grubsze od złącza microUSB, ale znacznie cieńsze od stale używanego złącza USB typu A o grubości 4,5 mm. Pierwszym powszechnie stosowanym produktem, który wyposażono w złącze USB typu C jest Apple MacBook 12” dostępny od marca 2015 r. Jego grubość maksymalna to zaledwie 13,1 mm i jest on wyposażony tylko w jedno złącze USB, które obsługuje wszystkie funkcje z wyjątkiem gniazda słuchawkowego 3,5 mm. Jest to możliwe dzięki użyciu złącza USB-C. Do urządzeń wykorzystujących tę technologię należą tablet N1 firmy Nokia oraz laptop Chromebook Pixel firmy Google.

Kolejną cenną zaletą złączy i kabli USB-C jest ich łatwość użytkowania. Wtyczki są symetryczne i można je włożyć dowolną stroną, co pozwala zaoszczędzić czas i eliminuje ryzyko uszkodzenia wtyku lub gniazda przez próbę podłączenia na siłę nieprawidłowo ustawionego złącza. Kable również można podpinać dowolnie, ponieważ na ich końcach znajdują się jednakowe wtyki. Aby to umożliwić, w kablach USB-C znajduje się dodatkowy układ zapewniający odpowiednie przekierowanie zasilania i przesyłanych sygnałów. Jest on wyposażony w układ scalony umożliwiający wykrycie, czy kabel został podłączony do hosta, czy też do urządzenia peryferyjnego.

Do innych często wymienianych zalet złączy i kabli USB-C należy przepustowość i możliwość zasilania urządzeń. Jednak parametry te zależą nie tylko od działania samych złączy typu C, ale również od standardów obsługiwanych przez urządzenie.

Pod względem szybkości, złącza typu C umożliwiają przesyłanie danych z szybkością 10 Gb/s, co wystarcza do przesyłania filmów w wysokiej rozdzielczości, np. sygnałów DisplayPort 4K. Jest to cecha standardu USB 3.1, który zapewnia dwukrotnie większą szybkość niż USB 3.0, ale wymaga stosowania kabli i złączy typu C. Inaczej mówiąc, aby uzyskać oferowaną szybkość transmisji należy używać zarówno standardu USB 3.1 w urządzeniu, jak i złącza typu C. Oba rozwiązania mogą być także używane oddzielnie – urządzenie może być wyposażone w złącza typy C do celu zasilania, ale nie obsługiwać szybkiego przesyłania danych. Urządzenie pracujące w standardzie USB 3.0 i wyposażone w złącze typu C, podłączone za pomocą kabla typu C będzie miało przepustowość ograniczoną do 5 Gb/s, ponieważ jest to maksymalna szybkość transmisji danych w standardzie USB 3.0.

Pod względem zasilania złącza i kable USB-C zostały zaprojektowane do zasilania urządzeń pobierających nawet do 100 W mocy, co wystarcza do ładowania laptopów i dużych urządzeń. Co może być nieco mylące, możliwości zasilania należą do nieco innego standardu o nazwie USB Power Delivery (USB PD), który jest niezależny od standardu USB 3.1. W przypadku urządzenia USB 3.1, które nie obsługuje standardu USB PD, użycie kabla typu C nie zapewni pełnego zasilania 100 W. Jeśli urządzenie jest zgodne ze standardem USB PD, wówczas kabel typu C umożliwia użycie jednego z pięciu profili zasilania: 10 W (5 V, 2 A), 18 W (12 V, 1,5 A), 36 W (12 V, 3 A), 60 W (20 V, 3 A) i 100 W (20 V, 5 A). Należy podkreślić, że te poziomy zasilania są zapewnione przy równoczesnej transmisji danych. Poprzednie generacje USB oraz innych złączy zapewniały znacznie niższe wartości, ale w przypadku stosowania kabli i złączy jedynie do zasilania (bez przesyłania danych) producenci mogli zapewnić odpowiednie zasilanie dla małych akumulatorów, np. w smartfonach.

Kwestie do rozważenia

W przypadku stosowania złączy USB-C należy uwzględnić pięć czynników. Po pierwsze, ze względu na ich bardzo małe wymiary są one nieco mniej wytrzymałe od wtyków USB typu A. Wtyki USB-C mają w środku pusty otwór, natomiast w gniazdach w tym miejscu znajduje się cienki występ. Trwają dyskusje na temat, czy występy te wytrzymają częste lub siłowe podłączanie kabla do urządzenia. Prawdopodobnie z tego powodu w zastosowaniach innych niż konsumenckie, wymagających wytrzymałości, ale niewymagających tak niewielkich wymiarów, nadal będą używane złącza USB-A (mogą obsługiwać standard USB 3.1).

Standard USB-C został opracowany tak, aby zapewnić kompatybilność ze starszymi typami złączy oraz starymi wersjami standardu USB. Dostępna jest szeroka gama adapterów umożliwiających dostosowanie typu wtyku oraz zespołów kablowych z wtykami USB-C na jednym końcu i starszymi wtykami USB na drugim końcu.

Kolejną często omawianą kwestią jest autentyczność kabli. Od czasu wprowadzenia złączy USB-C producenci zalali rynek tanimi produktami, z których wiele nie ma certyfikatów i może nie spełniać wymagań technicznych, w szczególności standardu USB PD. Ponieważ w kablach typu C wbudowane są układy scalone, istnieje możliwość wprowadzenia do sprzedaży produktów, które nie będą działały lub mogą nawet spowodować nienaprawialne uszkodzenia urządzeń elektronicznych. W jednym z nagłośnionych ostatnio przypadków, inżynier firmy Google – Benson Leung, zajmujący się testowaniem urządzeń USB, kupił on-line tani adapter USB-A/USB-C, który spowodował uszkodzenie stanowiska testowego i „usmażył” laptopa typu Chromebook Pixel. Po sprawdzeniu okazało się, że w używanym przez niego kablu przewody były przylutowane do niewłaściwych złączy, jednego przewodu brakowało, a rezystor 56 kΩ został zastąpiony elementem o wartości 10 kΩ podłączonym w złej konfiguracji. Możliwe, że producent zauważył pomyłkę i próbował ją naprawić, zamieniając przewody Vbus oraz masy, co skończyło się poważnymi konsekwencjami.

Aby uniknąć takich sytuacji, klienci indywidualni oraz firmy powinni kupować wyłącznie certyfikowane kable. Wprowadzono specyfikację uwierzytelniania USB-C umożliwiającą 128-bitowe, kryptograficzne uwierzytelnianie ładowarek, urządzeń, kabli i zasilaczy USB-C. Przed rozpoczęciem przesyłania danych lub zasilania urządzenie może zweryfikować, czy dany produkt jest zgodny ze standardem. Protokół uwierzytelniania może być również używany do zabezpieczania systemów przez umożliwienie podłączania jedynie kompatybilnych urządzeń.

Firma Intel ogłosiła, że jej protokół Thunderbolt 3 zaprojektowany pod kątem przesyłania sygnałów wideo o dużej rozdzielczości z szybkością do 40 Gb/s będzie używał złącza USB-C. Poprzednie wersje protokołu Thunderbolt używały złączy Mini DisplayPort, dlatego ten krok jest odbierany jako podkreślenie znaczenia tej technologii. Powinno to również zachęcić producentów urządzeń użytkowych do montowania złączy USB-C w ich komputerach, tabletach i smartfonach. Wydaje się oczywiste, że kable USB-C z czasem zastąpią nie tylko starsze kable USB, ale również kable zasilające urządzenia przenośne oraz kable HDMI i inne kable używane do przesyłania sygnałów wideo o dużej rozdzielczości. Kable ładowarek lub inny sprzęt korzystający z USB powinny być zgodne ze standardem USB-C, wówczas urządzenia będą wyposażone w tylko jeden port realizujący wszystkie funkcje. A jeden kabel będzie pasował do wszystkich urządzeń.

Więcej informacji można znaleźć na stronie
http://pl.rs-online.com/web/generalDisplay.html?id=i/usb-c

źródło: Automatyka 1-2/2018