Come semplificare la connettività con USB-C

PC, laptop e tablet continuano a miniaturizzarsi, lasciando poco spazio per i connettori di interfaccia e di alimentazione. Allo stesso tempo, le velocità dati aumentano e si moltiplicano gli standard di interfaccia dati, audio e video, ciascuno con un connettore di interfaccia proprio. Tuttavia, gli utenti continuano a chiedere semplicità e flessibilità. La soluzione a questi problemi è un connettore fisico USB Type-C™ (USB-C).

Questo articolo illustra brevemente i moderni requisiti di connettività e come possono essere soddisfatti utilizzando USB-C. Include esempi di connettori e cavi USB-C di Tripp Lite by Eaton e mostra come utilizzarli per semplificare la connettività dei dispositivi.

Standard USB

Lo standard dell'interfaccia USB è nato come bus periferico per l'interfacciamento di computer come tastiere, mouse e memorie rimovibili. Nel corso degli anni è maturato in una serie di standard fino a diventare l'interfaccia principale per computer, periferiche e telefoni. Ha aggiunto Power Delivery (PD) e abilitato il tunneling di vari protocolli, come DisplayPort (DP), Ethernet e High-Definition Multimedia Interface (HDMI). La versione più recente, USB4, supporta velocità dati di 40 Gbps e PD fino a 240 W (Rev. 3.1) e mantiene la retrocompatibilità con le versioni standard precedenti come USB 3.2 e USB 2.0.

I connettori utilizzati con USB si sono evoluti dalle versioni originali USB-A e USB-B e dalle loro varianti all'attuale connettore USB-C. USB 3.2 Gen 2, che supporta trasferimenti di dati fino a 10 Gbps, è stato l'ultimo standard USB che ha permesso di utilizzare i vecchi connettori USB-A e USB-B. USB 3.2 Gen 2x2 supporta velocità dati di 20 Gbps e richiede un connettore USB-C, così come USB4.

Il connettore USB-C

I connettori fisici USB, come USB-C, sono distinti dagli standard di interfaccia USB, come USB4. I connettori USB costituiti da spine e prese sono specificati separatamente dall'USB Implementers Forum (USB-IF). Per tutte le loro capacità di throughput e di potenza, i connettori USB-C sono piccoli, solo leggermente più grandi dei microconnettori USB-A, il che li rende adatti a dispositivi di piccole dimensioni.

Un connettore USB-C utilizza 24 pin disposti in modo da accoppiare i contatti corrispondenti in entrambi gli orientamenti, pertanto è un connettore reversibile. L'assegnazione dei pin di segnale di un connettore USB-C fornisce informazioni sulle funzioni di alimentazione, dati e controllo dello standard USB (Figura 1).

Figura 1: Assegnazioni dei pin del connettore USB-C; i contatti corrispondenti possono essere accoppiati in entrambi gli orientamenti, rendendo di fatto reversibile il connettore. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite by Eaton)

USB PD è una specifica di alimentazione interattiva che consente ai dispositivi di negoziare la sorgente, il carico e il livello di alimentazione fornito utilizzando i pin VBUS e di terra. Sono presenti quattro contatti di alimentazione VBUS e quattro contatti a massa di alimentazione. I livelli di potenza massima sono definiti dallo standard USB utilizzato nei dispositivi e sono conformi alle specifiche USB PD. Nell'ambito di USB PD, i contratti di alimentazione tra le sorgenti di alimentazione e i dispositivi di carico vengono negoziati mediante le linee di configurazione del canale (CCx).

Le linee CCx sono utilizzate per rilevare l'orientamento del collegamento e la configurazione del canale, ma anche per il controllo dell'alimentazione e la segnalazione con USB PD. Nell'ambito di USB PD, è disponibile un livello di potenza massima di 240 watt basato su una tensione di alimentazione di 48 V con un livello di corrente di 5 A. Sebbene tutti i cavi USB-C includano le linee CCx e supportino USB PD, potrebbero non supportare l'intero intervallo di tensioni e correnti specificato in USB PD. Gli utenti devono fare riferimento alla scheda tecnica del cavo per conoscere il livello di potenza supportato.

Le linee D+ e D- dedicate mantengono la compatibilità con il vecchio standard USB 2.0, che opera a una velocità dati inferiore rispetto alle attuali versioni USB.

I pin evidenziati in blu comprendono quattro coppie di segnali differenziali, che formano due canali di dati che supportano USB SuperSpeed. Sono supportate velocità dati di 10 Gbps per USB 3.2 Gen 2x1, 20 Gbps per USB 3.2 Gen 2x2 e 40 Gbps per USB4 Gen 3x2.

Le linee di utilizzo della banda laterale (SBU1 e SBU2) sono segnali ausiliari utilizzati nelle modalità multimediali alternative supportate dalla specifica USB-C per consentire l'utilizzo multiplo del set di connettori. Il canale AUX si occupa della gestione dei collegamenti e del controllo della modalità di test. Dopo aver impostato il contratto di alimentazione tra i dispositivi, USB PD può avviare collegamenti dati in modalità alternativa (Alt Mode), come DP. Negozia l'handshake in modalità alternativa utilizzando messaggi definiti dal fornitore (VDM) sui collegamenti SBU. Dopo la negoziazione della modalità alternativa di DP, quest'ultimo procede alla formazione del collegamento per stabilire la connessione. La preparazione del collegamento DP ottimizza il collegamento tra un source e drain DP per garantire una connessione robusta per lo streaming dei dati. La modalità alternativa DP consente ai cavi USB-C di gestire dati USB, array di grafica video (VGA), interfaccia visiva digitale (DVI), HDMI e segnali video DP.

Un'opzione per l'invio di protocolli alternativi tramite USB è il tunneling di protocollo. Il tunneling di protocollo crea un canale di dati in un protocollo, che invia i dati di un altro protocollo attraverso il cavo. Grazie a questo meccanismo, un tunnel USB-C può inviare dati DP o PCIe tra i dispositivi.

Cavi USB-C

I cavi USB-C offrono una varietà di lunghezze, gestione della potenza e velocità dati in base allo standard USB utilizzato. Tripp Lite by Eaton offre quasi un centinaio di tipi di cavi USB-C per coprire un'ampia gamma di funzioni e opzioni di espansione per i dispositivi che utilizzano i connettori USB-C.

Un buon esempio è il modello U520-31N, un cavo USB4 con spine a ciascuna estremità. Supporta la modalità alternativa DP, che offre una risoluzione video 4K o 8K a una frequenza di aggiornamento di 60 Hz. U520-31N è anche compatibile con USB PD ed è in grado di gestire 5 A a 20 V per erogare 100 W di potenza. Il cavo misura 0,7925 metri di lunghezza e ha una velocità di trasferimento massima nominale di 40 Gbps. Si noti che la velocità di trasferimento massima dei cavi USB-C è inversamente proporzionale alla lunghezza.

A titolo di confronto, il cavo MTB3-01M5-5A-B (Figura 2) è un cavo compatibile USB 3.2 Gen 2x2 in grado di gestire dati con velocità di trasferimento di 20 Gbps e supporta la risoluzione video 4K a 60 Hz. Come il cavo USB4, è compatibile con USB PD e con la stessa potenza di 100 W. Questo cavo ha una lunghezza di 1,5 m, quindi la velocità dati massima è inferiore.

Figura 2: MTB3-01M5-5A-B è un cavo USB 3.2 Gen 2x2 che supporta velocità dati fino a 20 Gbps. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite by Eaton)

Schede USB-C

Le schede si collegano a una porta di ingresso/uscita (I/O) di un computer e ne convertono il protocollo in un altro standard. Ad esempio, U436-06N-GB-C di Tripp Lite by Eaton è una scheda di rete da USB-C a Gigabit che funziona con dispositivi che utilizzano USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 o USB 3.2 Gen 1 con velocità dati fino a 5 Gbps (Figura 3).

Figura 3: U436-06N-GB-C è una scheda da USB-C a Gigabit Ethernet con una porta di ricarica USB-C. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite by Eaton)

Il connettore di ingresso è una spina USB-C, mentre l'uscita è una presa Ethernet RJ-45. La scheda include anche una presa USB-C in grado di fornire fino a 60 W (20 V a 3 A). Questa scheda consente ai laptop dotati solo di USB-C di utilizzare una connessione Ethernet cablata se la connessione wireless non è disponibile o è troppo lenta.

Dato che lo standard USB è in grado di gestire molti protocolli diversi, è naturale che nascano adattatori multiporta. Questi adattatori spesso forniscono porte di comunicazione dati non più disponibili nei laptop più piccoli.

Un buon esempio è il modello U444-06N-H4GUC2, che supporta audio digitale, video 4K a 60 Hz, USB PD e Gigabit Ethernet dalla porta USB-C di un computer (Figura 4).

Figura 4: L'adattatore multiporta U444-06N-H4GUC2 aggiunge a un computer HDMI, Ethernet, una porta di ricarica USB-C e una porta USB-A. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite by Eaton)

La porta USB-A di U444-06N-H4GUC2 può fornire 7,5 W (5 V a 1,5 A), mentre la porta di ricarica USB-C fornisce 25 W (5 V a 5 A).

Le docking station trasformano i laptop in workstation

Le docking station ampliano la connettività di un laptop aggiungendo più porte tramite un connettore USB-C. In sostanza, trasformano un laptop in una workstation multifunzione. Ad esempio, il modello USB-C U442-DOCK2-S di Tripp Lite by Eaton aggiunge porte dedicate per HDMI, mini DP, VGA, Ethernet, memoria SD e microSD, alimentazione USB-C e tre connettori USB-A (Figura 5). Include anche una presa per cuffie da 3,5 mm.

Figura 5: La docking station USB-C U442-DOCK2-S aumenta il numero e i tipi di porte disponibili su un laptop, tra cui audio, video, memoria, USB ed Ethernet. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite by Eaton)

Le porte mini DP e HDMI supportano la risoluzione 4K x 2K a 30 Hz, mentre la porta VGA supporta la risoluzione 1080P a 60 Hz. La porta Ethernet RJ-45 supporta Ethernet a 10/200/1000 Mbps. Le tre porte USB-A possono essere utilizzate per periferiche USB, come tastiera, mouse, unità flash, stampante o smartphone. Forniscono fino a 7,5 W di potenza c.c. (5 V a 1,5 A). La porta di ricarica USB-C bidirezionale può gestire fino a 60 W (20 V a 3 A).

La porta USB-C del laptop consente di utilizzare questa varietà di interfacce grazie alle funzionalità multiprotocollo dello standard USB.

Conclusione

I connettori USB-C supportano velocità dati fino a 40 Gbps, PD fino a 120 W e sono reversibili. Per sfruttare al meglio le loro capacità, Tripp Lite by Eaton offre un'ampia gamma di soluzioni USB-C sotto forma di cavi, schede/adattatori e docking station per supportare potenti funzionalità e connettività da un singolo connettore USB-C.