česky english Vítejte, dnes je neděle 05. prosinec 2021

USB4 a jak nejlépe na to

01.11. 2021 | Vývoj - články
Autor: Fionn Sheerin, Microchip Technology

USB konektory jsou všude a každý, kdo má chytrý telefon, se již někdy přistihl, jak na takový port zírá a přemýšlí, zda jeho zařízení dokáže nabít. Podmínky se dále zjednodušují s přechodem na standardy USB Power Delivery (PD) a díky správnému zavedení USB4 může zmíněný trend pokračovat i nadále. Zajištění nejlepších možných výsledků při nabíjení bude v celé řadě nových případů z pohledu návrhu záviset na několika faktorech.

microchip-MCA829-1 (jpg)
Obr. 1 Způsoby provedení USB zásuvek

Hlavní účel vývoje USB4 spočívá ve zdvojnásobení rychlosti přenosu dat oproti USB 3.2 (40 Gb/s vs. dřívějších 20 Gb/s) a také podpoře protokolu Thunderbolt od Intelu. USB4 bude výhradně používat oválný port USB typu C se všemi předpoklady pro zapojení kabelu i „vzhůru nohama“. To je sice jednodušší, nicméně technologie pro nabíjení stojící v pozadí USB4 musí nyní uvažovat USB PD, což vnáší další komplikace. Specifikace USB předchozí generace s portem typu C nabízela volbu umožňující PD, USB4 to však vyžaduje.

 

Power Delivery je s USB4 vyžadováno

Specifikace PD byla zrevidována tak, aby počítala s novými zprávami, pokud jde o nalezení a přechod k režimu USB4, nicméně schéma napájení zůstává stejné. Pro host a device se přitom k nalezení a dohodnutí výkonu a dat, které zde budou přenášeny, využije jednovodičové 300kHz sběrnice na jedné z linek CC (Configuration Channel) rozhraní USB typu C – viz také obr. 1. Další linka CC pak na sebe bere roli „VCONN“, speciálního zdroje napájení pro elektronický marker – identifikační obvod uvnitř USB kabelu.

Výkon dodávaný mezi porty USB je v rámci konektoru přenášen samostatnou skupinou vodičů (označeno „VBUS“, viz také obr. 2). Pokud se tedy spojí dvě zařízení PD, využijí vodiče CC ke vzájemné detekci, oznámení výkonových možností (jaká napětí a jaký výkon pro každé napětí), pochopení, které zařízení by mělo sloužit jako zdroj energie či nora, dohodnutí, kolik výkonu dodat, a také k následnému zajištění takového výkonu na VBUS.

Zmíněný 300kHz číslicový signál se rovněž využije ke zjištění, zda může takové spojení podporovat USB4, takže zde neexistuje žádný způsob, jak implementovat USB4 bez této komunikace. U portů USB4 není vyžadováno, aby dodávaly nebo zase obdržely jakýkoli výkon nad rámec minimálních 5 V a 900 mA, musí ovšem podporovat komunikaci PD, aby mohly sloužit jako USB4.

 

Napájení po univerzální sériové sběrnici z pohledu historie

Abychom lépe prozkoumali možnosti spojené s nabíjením přes USB4, bude užitečné porozumět historii napájení řešeného prostřednictvím konektoru USB (viz také obr. 2). Univerzální sériová sběrnice byla původně určena pro sériovou datovou komunikaci s maximálním proudem tekoucím kabelem na úrovni 100 mA. Specifikace USB 2.0 pak provoz na lince VBUS omezila na 500 mA, což stačilo k napájení základních počítačových periférií. U standardů USB 3.0 se proudový limit zvýšil na 900 mA, nicméně s tím, jak přenosná zařízení směřují k jedinému konektoru pro data i napájení, nestačilo ani to.

Komise proto přišly se specifikacemi BC (battery charging), až BC1.2 v roce 2010, umožňujícími odběr 1,5 A (7,5 W). V tomto okamžiku se také mnoho výrobců chytrých telefonů vzdalo toho, že by měli vyhovět specifikacím USB.

To vedlo k vlastnímu způsobu nabíjení, volně dostupnému pro všechny, s využitím napěťových úrovní pro D+ a D- (USB datové linky) 2 V na jedné a 2,7 V pro další, což mohlo vyústit v 10 W, 2,7 V na obou linkách pro 12 W, nebo 3,3 V u každého vedení, což by pak ještě znamenalo nabíječky s 20 V. Něco takového ale může mít v případě chyby neblahý dopad. Zmíněné metody neumožňovaly různým systémům vzájemně spolupracovat a výsledky byly nevyzpytatelné. Datové linky využité k rozhodování o úrovních pro nabíjení se navíc pro data nedaly více využít. Port mohl přenést soubory nebo rychleji nabíjet, ne však obojí. Každý, kdo se někdy setkal s telefonem, který měl potíže při nabíjení, přišel pravděpodobně do styku s datovým spojem dodávajícím 500 mA v rámci specifikace USB 2.0.

microchip-MCA829-2 (jpg)
Obr. 2 Přístup k napájení přes USB v průběhu času. Vlastní standardy se u výrobců odlišovaly, zatímco nové specifikace USB obvykle trvaly na zpětné kompatibilitě

Zmíněný problém byl motivací pro vznik první specifikace PD (revize 1) s cílem vytvořit univerzální standard pro nabíjení s jinými úrovněmi, tedy více než 5 V, a za použití tradičních USB kabelů se čtyřmi vývody. Udržení zpětné kompatibility zde vyžadovalo přidání signálu handshake k samotné lince VBUS, což ale bylo složité a celá záležitost proto „vyšuměla“ bez nějakého významného zavedení do praxe. USB-IF by upřednostnila, pokud by všichni zapomněli, že taková specifikace byla kdy napsána a prakticky se o ní hovořilo. Tento přístup již tedy neplatí a není ani podporován.

V současné době zde máme PD ve verzích 2.0 a 3.0 a také specifikace PPS (programmable power supply). Vznikaly společně s USB portem typu C s dalšími signálovými spoji. Rozdíly mezi verzí 2 a 3 spočívají především v detailech komunikace CC. Obojí máme zpětně kompatibilní s dřívějším provedením USB (s výjimkou PD revize 1) a stejná bude i uživatelská praxe. Zařízení zde dohodnou profily pro nabíjení, teoreticky s přírůstky od 20 mV (v rámci implementace PPS). Zařízení vyhovující z pohledu PD mohou dle specifikace, ale není to podmínkou, podporovat během přenosu energie až 100 W (5 A při 20 V). Vlastní postupy odkazující na alternativní nabíjecí profily s využitím datových linek jsou přitom výslovně zakázané, nicméně USB typu C rovněž umožňuje zjednodušené nabíjení proudem 1,5 A a 3 A při 5 V (rozlišeno díky rezistorům na vývodu CC, namísto číslicového signálu). Porty typu C nevyžadují PD, ale PD vyžaduje port typu C, což také představuje změnu v případě USB4 (viz obr. 3). USB4 využije komunikaci PD, aby umožnilo režim USB4.

microchip-MCA829-3 (jpg)
Obr. 3 USB a spojitost mezi daty a napájením. USB 2.0 může existovat na jakémkoli USB kabelu, s nebo také bez Power Delivery v případě typu C.
USB3.x vyžaduje kabel s dalšími super rychlými linkami, s nebo také bez Power Delivery v případě typu C.
USB4 se pak může vyskytovat pouze u typu C, spolu s komunikací Power Delivery. Power Delivery uvažujeme pouze u typu C, ale nevyžaduje data

Zatímco moderní zařízení budou následovat nové zefektivněné specifikace, komplikovanost v otázce nabíjení přes USB vychází ze všech těchto dřívějších standardů, kdy na starších portech vše stále existuje, a nový port USB4 je možné připojit ke kterémukoli ze zmíněných předchozích řešení (viz také tab. 1).

microchip-MCA829-4 (jpg)
Tab. 1 Napájení přes USB v širších souvislostech

 

Praxe a způsoby využití

Snaha udržet zpětnou kompatibilitu napříč pěti generacemi znamená složité podmínky ve věci možných výkonových spojení. Klíčovou otázkou tedy zůstává, jak je to se všemi staršími USB porty a kabely – uživatelé se mohou stále ptát, zda „to bude nabíjet“. Pokud ignorujeme vlastní specifikace, většina této „historie“ se v případě využití ze strany uživatele naštěstí dotýká pouze několika možných situací. Bude-li se vše nabíjet, nemusí to jít rychle.

Níže principiálně zmiňujeme čtyři případy, které v kontextu USB4 dále zvážíme:

1) starší nabíjecí port zapojený k zařízení s USB4 typu C přes kabel s adaptérem
2) nabíječka s USB4 typu C připojená k dřívějšímu portu přes kabel s adaptérem
3) port USB4 typu C zapojený k portu typu C, ne však USB4, s kabelem C-C a umístění odporového děliče na lince CC
4) dva porty typu C spojené kabelem C-C a komunikace na linkách CC, jedno zařízení nebo obě mohou být typu USB4

Z pohledu standardů USB přenáší 8pinový konektor Apple Lightning stejné signály jako dřívější kabel USB 3.x. Pokud jde o výkonové záležitosti, budou se porty USB4 zapojené přes adaptér typ C – Lightning chovat podobně jako v případě kabelů typ C – micro B nebo typ C – typ A. V textu níže uvádíme přehled toho, co pokaždé můžeme očekávat.

Starší nabíjecí port zapojený k zařízení s USB4 přes kabel s adaptérem

Dřívější porty, jako jsou typ A či B, byly možná vytvořeny ještě před specifikacemi typu C (viz také obr. 1). U těchto portů nebyl, a ani nebude, nějaký požadavek na implementaci jakéhokoli konkrétního způsobu rychlejšího nabíjení. Port USB 2.0 může defaultně nabíjet proudem 500 mA, zatímco USB 3.x pak 900 mA. Dobrou zprávou je, že většina novějších portů USB podporuje BC1.2 a nabídne 7,5 W. Nezáleží na tom, jaký druh adaptéru použijete. Zařízení s USB4 či typem C připojené ke staršímu nabíjecímu portu nemůže odebírat více než 7,5 W, aniž by přitom neporušilo specifikace USB.

Nabíjecí port USB4 připojený ke staršímu zařízení přes kabel s adaptérem

V případě, že je nabíjecí port USB4 zapojen ke staršímu zařízení, může nastat několik situací. Port USB4 zde může nabízet 1,5 A s využitím standardů BC1.2 a kabel dokáže zajistit 7,5 W. Pokud ale není USB4 nastaveno tak, aby podporovalo další nároky BC1.2, bude port USB4 potřebovat defaultně 500 mA pro datové spojení USB 2.0 nebo 900 mA za předpokladu USB 3.x. To však může uživatele hezky rozčílit, protože „nejvybranější“ port USB zde pak dokáže s využitím adaptéru ve výsledku nabíjet nejpomaleji.

USB4 a typ C, ne však USB4, s odporovými děliči

Jestliže systém, který energii buď poskytuje nebo spotřebovává, využívá u typu C k oznámení výkonových schopností metody s odporovým děličem, bude rovněž ovlivňovat přenos výkonu. Zařízení s USB4 nebude schopné komunikovat přes linky CC, stále však dokáže rozpoznat připojení, spojitost mezi oběma stranami a také proudový limit (1,5 A nebo 3 A) s využitím proudových zdrojů či rezistorů připojených k linkám CC. Napětí na sběrnici zůstane na 5 V a zátěž pak dokáže odebírat až 7,5 W či 15 W. Protože zařízení ví, že se nejedná o režim PD, může s ohledem na uživatele signalizovat pomalejší nabíjení.

Dva porty typu C s komunikací PD

Pokud jde o přenos výkonu, jedná se teoreticky o nejzdatnější spojení USB4. Konkrétní výsledky se však budou lišit. Dvě připojená zařízení si zde dohodnou v závislosti na svých možnostech celou relaci a to až do 20 V a 5 A. Předmětem „jednání“ bude i role dodavatele energie či jejího spotřebitele. Lze tedy spojit dva spotřebitele, kteří se dohodnou, že to půjde i bez výkonu – a je to pro přenos dat mezi dvěma přenosnými zařízeními také v pořádku. Porty na straně poskytovatele mohou být označeny symbolem baterie, takže uživatelé budou v řadě případů vědět, která rozhraní na stanici či laptopu jsou nastavena s ohledem na zajišťování výkonu. V takovém případě musí být port dodávající energii schopen zabezpečit přinejmenším 1,5 A při 5 V (7,5 W, stejně jako BC1.2), aby mohl používat logo nabíjení schválené USB-IF. Vyšší úrovně výkonu nejsou zaručeny ani u portu typu C označeného ikonou nabíjení. Vzhledem k tomu, že výkonová relace může zahrnovat jakoukoli úroveň od 7,5 W do 100 W, uživatel bude vědět co se děje pouze tehdy, řekne-li mu takovou informaci jedno ze zařízení (indikace úrovně či rychlého nabíjení). To samozřejmě může vést k nepředvídatelným i nepříjemným situacím, ale díky vhodnému reportování a také rozumnému uživatelskému rozhraní se může rovněž jednat o perfektní výsledek.

 

Závěr

Doplnění nabídky o USB4 přidává obrovskou šířku pásma a také další možnosti pro aplikace s rozhraním USB, které je mohou využít, nicméně USB 2.0 a USB3.x budou v systémech, které si vystačí s menšími přenosy dat, fungovat i nadále. Možnosti využití během přenosu energie se budou násobit, ovšem díky chytrému návrhu aplikací to nemusí nutně znamenat rozladění ze strany uživatelů.

Odkazy:

[1] www.microchip.com

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik