Podzespoły do interfejsów USB-C z oferty STMicroelectronics

Oba standardy: równoległy i szeregowy były łatwe w sprzętowej implementacji, ale przysłowiowemu Kowalskiemu sprawiały trudności eksploatacyjne. Każde urządzenie musiało mieć swój własny driver, który trzeba było „ręcznie” zainstalować. W wielu przypadkach instalacja powodowała konflikty programowe, z którymi nie przygotowany użytkownik sobie nie radził. Standard USB miał w założeniu wyeliminować oba przestarzałe rozwiązania przez zaproponowanie dużej prędkości transmisji, oraz wbudowanie mechanizmu automatycznego wykrywania urządzenia, a potem pobierania drivera i jego automatycznej instalacji. Potem host (komputer) negocjował z podłączonym urządzeniem prędkość transmisji i przydzielenie potrzebnej mocy.

Takie dość rewolucyjne jak na tamte czasy rozwiązanie bardzo ułatwiało przeciętnemu użytkownikowi eksploatację komputera, ale jednocześnie mocno utrudniało pracę projektantom urządzeń komunikujących się z komputerem za pomocą USB. Nawet dzisiaj mimo dużego wsparcia sprzętowego (sprzętowe moduły USB z układami taktowania) i programowego (biblioteki ze stosem USB) poprawne zaprojektowanie połączenia poprzez USB nie jest zadaniem banalnym.

Z czasem głównie za sprawą urządzeń mobilnych możliwość zasilania urządzeń przez złącze USB stała się tak samo ważna jak możliwość transferu danych. Dziś wiele urządzeń ładuje lub pobiera zasilanie z portów USB znajdujących się w laptopach, samochodach czy samolotach. USB stało się wszechobecnym gniazdem zasilania wielu małych urządzeń, takich jak telefony komórkowe, odtwarzacze MP3 i inne urządzenia przenośne. Użytkownicy potrzebują USB nie tylko do przesyłania danych, ale także dostarczania energii elektrycznej dla układów elektronicznych lub do ładowania baterii w swoich urządzeniach.

Mimo ograniczeń dostarczanej mocy zasilanie przez złącze USB okazało się tak wygodne i popularne, że zdecydowano się zdefiniować nowy standard zasilania USB PD 2.0 (Power Delivery) oferujący następujące funkcje:

  • Zwiększenie poziomu przesyłanej mocy do 100 W.
  • Możliwość dwukierunkowego zasilania zarówno urządzenia peryferyjnego jak i hosta. Kierunek przesyłania energii nie jest ustalony na sztywno. Wcześniej zawsze źródłem zasilania był zawsze host.
  • Optymalizacja zarządzania energią indywidualnie dla wielu urządzeń peryferyjnych pozwalająca każdemu urządzeniu na odbiór tylko wymaganej mocy. Kiedy aplikacja zacznie potrzebować więcej mocy, to USB PD 2.0 może ją dynamicznie dostarczyć.
  • Inteligentne i elastyczne zarządzanie poziomem zasilania poprzez opcjonalną komunikację z hostem – komputerem PC.
  • Możliwość negocjowania wymaganego napięcia zasilającego w zakresie 5…20V. Pozwala to na przykład małym urządzeniom, takim jak zestawy słuchawkowe, negocjować wymagane napięcie zasilające.

Obecnie połączenie w standardzie USB 2 zapewnia do 2,5 W mocy (5V @500mA) – wystarcza to, aby naładować telefon lub tablet, ale to wszystko. Jak już wiemy, specyfikacja USB PD 2.0 zwiększa tę moc do 100 W. Taka moc może być przenoszona w tym samym czasie, gdy urządzenie przesyła dane. Można sobie wyobrazić transmisję danych i jednoczesne zasilanie laptopa (z ładowaniem baterii), który może pobierać moc do 60 W.

Specyfikacja USB PD 2.0 jest ściśle powiązana ze standardem złącza USB Type-C. Często mylnie łączy się USB-C ze standardem USB3 czy USB3.1. Twórcy standardu USB-C nie narzucają takiego powiązania i obecnie spotyka się urządzenia ze złączem USB-C pracującym z portem USB2.0.

Najbardziej znanym dotychczas złączem USB jest USB Type-A pokazane na fotografii 1. Można go znaleźć w każdym z urządzeń pełniących funkcje hosta lub huba USB. Nawet gdy standard zmieniał się z wersji z USB 1 na USB 2 i potem na najnowsze USB 3, to złącze pozostało niezmienione. Gdy urządzenia stają się mniejsze i cieńsze, to te stosunkowo duże porty USB po prostu się nie mieszczą. Doprowadziło to do powstania mniejszych złączy USB, takich jak złącza “USB mikro” i “USB mini”. Obecnie w hostach USB jest najczęściej złącze USB Type-A, a w urządzeniach USB mikro i coraz rzadziej USB mini.

Fot. 1. Wygląd złączy USB A

Standard USB-C rozwiązuje kilka praktycznych problemów z dotychczas stosowanymi typami złączy. Po pierwsze definiuje gniazdo, które zastępuje duże złącze USB Type-A. Wszystkie złącza i gniazda są małe – ich wielkość jest porównywalna ze złączami MicroUSB. Po drugie złącze jest symetryczne. Wszystkie dotychczasowe złącza USB były asymetryczne, to znaczy można je było połączyć przy określonym wzajemnym położeniu gniazda i wtyczki. Dla mnie zawsze to był niewielki problem. Często pierwsza próba połączenia się nie udawała i trzeba było odwracać wtyczkę.

W USB-C Tu nie ma znaczenia jak się włoży wtyk do gniazda. Jest to standard pojedynczego złącza i dla hosta i dla urządzenia, który może być używany przez każde urządzenie. Wystarczy jeden kabel, niezależnie czy podłącza się zewnętrzny dysk twardy do laptopa czy ładuje się swój smartfon z ładowarki USB. To jedno złącze jest wystarczająco małe, aby można było zmieścić się w super-cienkim urządzeniu przenośnym, ale wystarczająco „silne”, aby podłączyć wszystkie urządzenia peryferyjne do komputera. Kabel posiada wtyki USB typu C na obu końcach.

Wyprowadzenia styków gniazd i wtyków standardu USB-C zostało pokazane na rysunku 2 i rysunku 3.

Rys. 2. Wyprowadzenie styków gniazda standardu USB-C
Rys. 3. Wyprowadzenie styków wtyku standardu USB-C