USB Typ-C™, USB PD und USB 3.1 Gen 2: Neue Standards für Geschwindigkeit und Leistung

Von Bruce Rose, CUI Inc.

„Schneller, höher, weiter“: So lautet das legendäre olympische Motto, das inzwischen von der Elektronikbranche angepasst wurde, wenn es um neue Standards für USB-Konnektivität geht: „Schneller, kleiner und benutzerfreundlicher“.

Sie kennen vielleicht die neueste Generation von Computerprodukten mit den modernen USB-Typ-C-Ports (USB-C™). Aufgrund der einzigartigen Fähigkeit von USB-C, Daten, Strom und sogar Audio über eine einzige Kabelverbindung zu übertragen, wird davon ausgegangen, dass sich dieser Trend in der Zukunft noch verstärken wird. Laut Marktanalyseunternehmen ABI Research haben wir bereits den Wendepunkt bei der Umsetzung von USB Typ-C erreicht. Global gelieferte Smartphones mit diesem USB-Anschluss werden bis 2021 wahrscheinlich 830 Millionen erreichen. Mit einer Breite von nur 9 mm und einer Höhe von nur 3,5 mm ist dieser Anschluss deutlich kleiner als seine Vorgänger. Hersteller können somit noch kleinere Geräte herstellen. Das Timing der Entwicklung dieses Standards passt perfekt, um die Anforderungen neuer Produktgruppen im Bereich Home Automation und IoT (z. B. intelligente Sensoren) zu erfüllen, die problemlos zu den neuesten, kleineren und weniger wuchtigen Steckern passen.

Benutzerfreundlich

Bei USB-C-Anwendungen kann das Kabel an jedem Ende eingesteckt werden. Es kann die Leistung erbringen, die für Geräte wie Laptops erforderlich ist. Somit kann das Mitführen verschiedener Kabel für unterschiedliche Verwendungszwecke vermieden werden.

Diese größere Vielseitigkeit wird durch eine höhere Komplexität innerhalb des Steckers ermöglicht (Abb. 1). Dieser beinhaltet unter anderem mehrere Leiter. Im Gegensatz zu USB-Steckern vom Typ A und Typ B, die vier oder fünf Leiter benötigen, umfasst der USB-C insgesamt 24 Kontakte. Dadurch werden nicht nur das beidseitige Einstecken, sondern auch vier Strom- und Massepaare und zwei Signalpaare unterstützt. Außerdem kann die Haltbarkeit dieser Stecker auf 10.000 Anwendungen erhöht werden. In früheren Versionen wurde von nur 1.500 Steckvorgängen ausgegangen.

Abbildung der Spezifikation eines USB-C-Anschlusses

Abb. 1: Die Spezifikation des USB-C-Anschlusses ist präziser als bei früheren Standards (Bildquelle: CUI Inc.)

Die Strom- und Massepaare für USB-C sind für Spannungen bis 20 V und für eine höhere Stromstärke ausgelegt, die einen Gesamtwert von 5 A ermöglicht. Dadurch wird eine kombinierte Stromübertragung von bis zu 100 W über einen einzigen USB-C-Anschluss unterstützt. Weiterhin unterstützt jedes Datenpinpaar eine Datenübertragungsrate von bis zu 10 Gb/s. Der gesamte Stecker erreicht somit eine kombinierte Übertragungsgeschwindigkeit von 20 Gb/s.

Neueste Daten- und Stromspezifikationen der USB-IF

Die neuesten Daten- und Stromspezifikationen der USB-IF erfordern eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit, die USB-C bietet, insbesondere für die USB-Stromversorgung (USB PD), USB 3.1 Gen 2 und die kürzlich fertiggestellten High-Speed-Datenspezifikationen von USB 3.2:

  • USB PD nutzt alle vier Strom- und Massepaare, um die vollständige Stromversorgungsfähigkeit von 100 W von USB-C zu nutzen.
  • USB 3.1 Gen 2 nutzt eine Gruppe von Datenbahnen zur Definition einer Übertragungsrate von 10 Gb/s.
  • USB 3.2 kontrolliert zudem beide Gruppen der 10-Gb/s-Datenbahnen, um Übertragungen mit bis zu 20 Gb/s zu ermöglichen.

In Bezug auf das Konzept muss der USB-C-Standard, über den nur die physische Verbindung definiert wird, gesondert von USB PD und den High-Speed-Daten-Spezifikationen (u. a. USB 3.1 Gen 1 (SuperSpeed) und USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed +) sowie USB 3.2) betrachtet werden.

Der USB-C-Stecker ist zwar für die Unterstützung des USB-PD-Standards ausgelegt, dennoch ist ein USB-PD-kompatibler Host-Controller erforderlich, um die Stromversorgung der angeschlossenen Geräte zu steuern und zu kontrollieren. Das Kabel muss zudem für die Unterstützung des Standards konfiguriert werden.

USB PD bietet mehr als nur eine Steigerung der Leistung! Es erleichtert außerdem die bidirektionale Stromversorgung und bietet so eine größere Flexibilität beim Laden und bei der Versorgung von Benutzergeräten. Zusätzlich kann eine gleichzeitige Strom- und Datenversorgung über USB PD erreicht werden, da die Stromversorgung jetzt über den VBUS-Anschluss und nicht mehr über Datenanschlüsse erfolgt. Tabelle 1 zeigt, wie die USB-Übertragungsfähigkeiten in den letzten Generationen weiterentwickelt wurden.

Spezifikation Max. Leistung Max. Spannung Max. Strom
USB 2.0 2,5 W 5 V 500 mA
USB 3.0 und 3.1 4,5 W 5 V 900 mA
USB BC 1.2 7,5 W 5 V 1,5 mA
USB Typ-C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 20 V 5 A

Tabelle 1: Spezifikationen für die Stromversorgung über USB

In Bezug auf High-Speed-Datenspezifikationen definiert USB 3.1 Gen 2 die Daten- und Stromsignale, spezifiziert jedoch nicht die physische Verbindung. Damit wird es möglich sein, USB-3.1-Gen-2-Geräte mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 10 Gb/s und Steckern und Kabeln vom Typ A oder Typ B anzuschließen, sofern diese über ausreichend Strom, Spannung und Signalintegrität verfügen. Gleichermaßen können USB-C-Stecker verwendet werden, um ältere Verbindungsstandards wie USB 2.0 mithilfe einfacher Hardwareadapter zu versorgen.

Verbindungen herstellen

Natürlich werden nicht alle USB-C-Stecker oder -Kabelbaugruppen gleich hergestellt. Produkte mit überragender Qualität bieten zudem eine höhere Leistung, die an einer zuverlässigeren Kommunikation bei größeren Kabellängen erkennbar ist.

Designer müssen nicht nur die Qualität des Materials und der ausgewählten USB-C-Stecker für künftige Produkte berücksichtigen, sondern können sich auch zwischen zwei Versionen der Typ-C-Buchsen entscheiden (Abb. 2). Standardmäßige, oberflächenmontierte Buchsen werden normalerweise auf der Oberseite einer Leiterplatte angebracht. In diesen Fällen entspricht die Gesamthöhe der Baugruppe jedoch der Platinenstärke plus der Höhe des Steckers. Alternativ kann der mittig montierte Steckertyp in einer Aussparung auf der Leiterplatte angebracht werden. Dadurch nimmt zwar die Gesamthöhe der Baugruppe ab, allerdings können bei dieser Konstellation keine Signalbahnen unter dem Stecker verlaufen.

Abbildung: SMT- und mittig montierte USB-C-Stecker

Abb. 2: SMT- und mittig montierte USB-C-Stecker (Bildquelle: CUI Inc.)

Fazit

USB Typ-C-Stecker werden in der Unterhaltungselektronik immer beliebter. Um die ständig steigende Nachfrage zu unterstützen, bietet der Hersteller von Elektronikkomponenten CUI eine Reihe hochwertiger USB-Typ-C-Stecker und -Buchsen als SMT- und mittig montierte Ausführungen. Mit diesen Steckverbindern sollen nicht nur die aktuellen und künftigen designbezogenen Anforderungen erfüllt werden, sondern auch die in den Spezifikationen für USB 3.1 Gen 2 definierten Kommunikationsgeschwindigkeiten unterstützt werden.

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Über den Autor

Bruce Rose, CUI Inc.

Der Artikel wurde von Bruce Rose, Principal Applications Engineer, CUI Inc, verfasst.