Upraszczanie łączności za pomocą USB-C

W niniejszym artykule omówiono pokrótce nowoczesne wymagania w zakresie łączności oraz sposoby ich spełnienia przy użyciu standardu USB-C. Opisuje on przykładowe stacje dokujące, złącza i kable USB-C firmy Tripp Lite by Eaton i pokazuje, w jaki sposób można je wykorzystać do uproszczenia łączności urządzeń.

Standardy USB

Pierwszym standardem interfejsu USB była magistrala peryferyjna dla takich elementów interfejsu komputerowego, jak klawiatury, myszy i pamięci wymienne. Z biegiem lat rozwinął się on do serii standardów, stając się wiodącym interfejsem dla komputerów, urządzeń peryferyjnych i telefonów. Dodano również technologię zasilania Power Delivery (PD) i umożliwiono tunelowanie różnych protokołów, takich jak DisplayPort (DP), Ethernet i interfejs multimedialny wysokiej rozdzielczości (HDMI). Najnowsza wersja, USB4, obsługuje szybkości przesyłu danych rzędu 40Gbps oraz zasilanie PD do 240W (wer. 3.1). Nadal zachowuje kompatybilność wstecz z wcześniejszymi wersjami standardu, takimi jak USB 3.2 i USB 2.0.

Złącza używane z USB ewoluowały od pierwotnych złączy USB-A i USB-B oraz ich wariantów do obecnego złącza USB-C. Standard USB 3.2 Gen 2, który obsługuje transfery danych do 10Gbps, był ostatnim standardem USB, który pozwalał na użycie starszych złączy USB-A i USB-B. Standard USB 3.2 Gen 2x2 obsługuje szybkość przesyłu danych rzędu 20Gbps i wymaga złącza USB-C, podobnie jak standard USB4.

Złącze USB-C

Złącza fizyczne USB, takie jak USB-C, różnią się od standardów interfejsu USB, takich jak USB4. Specyfikacje złączy USB składających się z wtyczek i gniazd zostały określone oddzielnie przez USB Implementers Forum (USB-IF). Pomimo swojej niemałej przepustowości i możliwości zasilania, złącza USB-C są niewielkie, tylko nieco większe niż złącza USB-A micro, dzięki czemu nadają się do małych urządzeń.

Złącze USB-C wykorzystuje 24 wtyki ułożone tak, aby pasowały do przeciwległych styków w dowolnej orientacji, dzięki czemu złącze może być odwracane. Przypisanie wtyków sygnałowych złącza USB-C pozwala zrozumieć funkcje zasilania, danych i sterowania standardu USB (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przypisanie wtyków sygnałowych złącza USB-C - pasują one do przeciwległych styków w dowolnej orientacji, dzięki czemu złącze może być odwracane. (Źródło ilustracji: Tripp Lite by Eaton)

USB PD to interaktywna specyfikacja dostarczania zasilania (Power Delivery), która pozwala urządzeniom uzgadniać źródło, pobór mocy (obciążenie) i poziom mocy dostarczanej za pomocą wtyków VBUS i masy. Występują cztery styki zasilania VBUS i cztery masy zasilania. Maksymalne poziomy mocy są definiowane przez standard USB zastosowany w urządzeniach i są zgodne ze specyfikacją USB PD (Power Delivery). W przypadku standardu USB PD, uzgodnienia zasilania między źródłami zasilania a odbiornikami są negocjowane za pomocą linii konfiguracji kanałów (CCx).

Linie konfiguracji kanałów (CCx) służą do wykrywania orientacji połączenia i konfiguracji kanałów. Służą one również do sterowania zasilaniem i sygnalizacji przez USB PD. W specyfikacji USB PD, maksymalny poziom mocy 240W jest dostępny przy napięciu zasilania 48V i natężeniu prądu 5A. Pomimo że wszystkie kable USB-C zawierają linie konfiguracji kanałów (CCx) i obsługują specyfikację USB PD, mogą one nie obsługiwać pełnego zakresu napięć i prądów określonych w specyfikacjach USB PD. Obsługiwany poziom mocy podano w arkuszu danych kabla.

Dedykowane linie D+ i D- zachowują kompatybilność ze starszym standardem USB 2.0, który działa z niższą szybkością przesyłu transmisji danych niż obecne wersje USB.

Wtyki oznaczone kolorem niebieskim obejmują cztery pary sygnałowe różnicowe, tworzące dwa tory danych z obsługą trybu SuperSpeed USB. Obsługiwane szybkości przesyłu danych 10Gbps dla USB 3.2 Gen 2x1, 20Gbps dla USB 3.2 Gen 2x2 oraz 40Gbps dla USB4 Gen 3x2.

Linie sygnałów dodatkowych (SBU1 i SBU2) służą do przesyłu sygnałów pomocniczych używanych w alternatywnych trybach mediów obsługiwanych przez specyfikację USB-C, aby umożliwić wielozadaniowość zestawu złączy. Kanał AUX obsługuje zarządzanie łączem i sterowanie w trybie testowym. Po skonfigurowaniu uzgodnień dotyczących zasilania między urządzeniami, funkcja USB Power Delivery może aktywować łącza danych, takie jak DP, w trybie alternatywnym (Alt Mode). Negocjacja uzgodnień w trybie alternatywnym (Alt Mode) odbywa się za pomocą komunikatów zdefiniowanych przez dostawcę (VDM) za pośrednictwem łączy sygnałów dodatkowych (SBU). Po zakończeniu negocjacji w trybie DP Alt Mode, następuje trenowanie łącza w celu ustanowienia połączenia. Trenowanie łącza Display Port (DP) umożliwia optymalizację łącza między źródłem DP i odbiorem w celu zapewnienia niezawodnego połączenia do przesyłania strumieniowego danych. Dzięki trybowi DP Alt Mode, kable USB-C mogą obsługiwać sygnały danych USB, VGA (Video Graphics Array), DVI (Digital Visual Interface), HDMI (High Definition Multimedia Interface) oraz sygnałów wideo DP (DisplayPort).

Opcją wysyłania alternatywnych protokołów przez USB jest tunelowanie protokołów. Tunelowanie protokołów polega na tworzeniu potoku danych w jednym protokole, który przesyła dane z innego protokołu przez kabel. Po zastosowaniu tego mechanizmu, tunel USB-C może przesyłać dane DP lub PCIe między urządzeniami.

Kable USB-C

Kable USB-C są dostępne z różnymi parametrami dopasowanymi do używanego standardu USB (długość, moc i prędkość przesyłu danych). Firma Tripp Lite by Eaton oferuje prawie sto rodzajów kabli USB-C, zapewniających szeroki zakres funkcji i opcji rozszerzeń dla urządzeń wykorzystujących złącza USB-C.

Dobrym przykładem jest U520-31N - kabel USB4 z wtyczkami na obu końcach. Obsługuje on tryb DP Alt Mode, oferując rozdzielczość wideo 4K lub 8K przy częstotliwości odświeżania 60Hz. Kabel U520-31N jest również kompatybilny z USB PD i ma natężenie znamionowe 5A przy napięciu 20V pozwalające mu dostarczać 100W mocy. Długość kabla to 0,7925m, a jego znamionowa maksymalna szybkość transmisji wynosi 40Gbps. Należy pamiętać, że maksymalna szybkość przesyłu danych dla kabli USB-C jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości.

Dla porównania: MTB3-01M5-5A-B (ilustracja 2) to kabel zgodny ze standardem USB 3.2 Gen 2x2 przystosowany do przesyłu danych z szybkością 20Gbps, który obsługuje rozdzielczość wideo 4K przy częstotliwości 60Hz. Podobnie jak kabel USB4, jest on zgodny ze specyfikacją USB PD i charakteryzuje się taką samą mocą znamionową 100W. Kabel ten ma długość 1,5m, stąd niższa maksymalna szybkość przesyłu danych.

Adaptery USB-C

Adaptery są podłączane do portu wejścia-wyjścia (I/O) w komputerze i konwertują odbierany protokół na inny standard. Na przykład: adapter sieciowy U436-06N-GB-C firmy Tripp Lite by Eaton USB-C - Gigabit Ethernet współpracuje z urządzeniami wykorzystującymi standard USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 lub USB 3.2 Gen 1 z szybkością przesyłu danych do 5Gbps (ilustracja 3).

Złącze wejściowe ma postać wtyczki USB-C, a na wyjściu znajduje się gniazdo Ethernet RJ-45. Adapter zawiera również gniazdo USB-C, które może dostarczać moc do 60W (20V przy 3A). Dzięki temu adapterowi laptopy wyposażone tylko w porty USB-C mogą korzystać z przewodowego połączenia Ethernet, jeśli połączenie bezprzewodowe jest niedostępne lub zbyt wolne.

Biorąc pod uwagę możliwość obsługi wielu różnych protokołów przez standard USB, pojawienie się adapterów wieloportowych jest naturalne. Adaptery te często zapewniają porty transmisji danych, które nie są już dostępne w mniejszych laptopach.

Dobrym przykładem jest urządzenie U444-06N-H4GUC2. Adapter ten obsługuje cyfrowe sygnały audio, wideo 4K przy częstotliwości 60Hz, USB PD oraz Gigabit Ethernet z portu USB-C komputera (ilustracja 4).

Port USB-A w urządzeniu U444-06N-H4GUC2 może dostarczać moc 7,5W (5V przy 1,5A), natomiast port USB-C do ładowania - moc 25W (5V przy 5A).

Stacje dokujące przekształcają laptopy w stacje robocze

Stacje dokujące rozszerzają łączność laptopa, dodając wiele portów za pośrednictwem złącza USB-C. Zasadniczo przekształcają one laptop w wielofunkcyjną stację roboczą. Na przykład: urządzenie U442-DOCK2-S USB-C firmy Tripp Lite by Eaton posiada dedykowane porty HDMI, mini DP, VGA, Ethernet, pamięci SD i microSD, zasilania USB-C oraz trzy złącza USB-A (ilustracja 5). Oprócz tego dostępne jest gniazdo słuchawkowe 3,5mm.

Ilustracja 5: stacja dokująca U442-DOCK2-S USB-C zwiększa liczbę i typy portów dostępnych w laptopie, w tym portów audio, wideo, pamięci, USB i Ethernet. (Źródło ilustracji: Tripp Lite by Eaton)

Porty mini DP i HDMI obsługują rozdzielczość wideo 4K x 2K przy częstotliwości 30Hz, a port VGA obsługuje rozdzielczość 1080P przy częstotliwości 60Hz. Port Ethernet RJ-45 obsługuje łączność Ethernet z prędkością 10/200/1000Mbps. Trzy porty USB-A mogą służyć do podłączania urządzeń peryferyjnych USB, takich jak klawiatura, mysz, dyski flash, drukarki lub smartfony. Dostarczają one prąd stały o mocy maksymalnej 7,5W (5V przy 1,5A). Dwukierunkowy port ładowania USB-C może obsługiwać moc do 60W (20V przy 3A).

Port USB-C w laptopach pozwala wykorzystywać tak wiele interfejsów dzięki możliwościom wieloprotokołowym standardu USB.

Podsumowanie

Złącza USB-C obsługują przepustowość danych do 40Gbps, zasilanie do 120W i mogą być odwracane. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości, firma Tripp Lite by Eaton oferuje szeroką gamę rozwiązań USB-C w postaci kabli, adapterów i stacji dokujących, obsługujących zaawansowane funkcje i łączność za pośrednictwem jednego złącza USB-C.

Źródło: Upraszczanie łączności za pomocą USB-C

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!