Az USB4 energiaellátó szolgáltatása

„Szükséghelyzetben” rákényszerülhetünk, hogy látszólag kompatibilis, de ismeretlen töltővel vagy kábellel „keltsük életre” lemerült telefonunkat; a kudarctól a csigalassún át a villámgyors töltésig bármi előfordulhat. Ez az önmagában sem egyszerű USB-töltőszabvány és az áttekinthetetlen gyártóspecifikus megoldások következménye. Az USB4 szabvány „rendet vág” a káoszban.

Az USB-csatlakozók mindenhol megtalálhatók, és bárki, akinek okostelefonja van, egy bizonyos pillanatban szembesülhet azzal a kérdéssel, hogy az az USB-port, amit éppen lát, alkalmas-e vajon arra, hogy feltöltse az eszközt.
Az iparági konvergencia következtében az energiaellátás egyre egyszerűbbé válik az USB Power Delivery (PD) szabványok elterjedésével, és helyes megvalósítással az USB4 is folytathatja ezt a tendenciát. Az, hogy a lehető legjobb töltési élménnyel találkozhasson a felhasználó minél több új alkalmazási esetben, több alkalmazástervezési döntéstől függ.
Az USB4 fő célja az adatátviteli sebesség megkétszerezése az USB 3.2-höz képest (40 Gbit/s a korábbi 20 Gbit/s helyett), valamint az Intel Thunderbolt protokolljának támogatása. A USB4 kizárólag az USB Type-C porttal lesz használható, azzal a lekerekített élű, lapos csatlakozóval, amely arról ismert, hogy „fordítva” bedugott csatlakozóval is működőképes. Miközben ez a kábel csatlakoztatását egyszerűbbé teszi, az USB PD (Power Delivery) szolgáltatást is magukban foglaló USB4-portok kialakítása a korábbiaknál összetettebb feladat. A korábbi, Type-C porttal felszerelt USB specifikációja még csak megengedte a PD alkalmazását, az USB4 viszont már meg is követeli azt.

Az USB4-ben előírt Power Delivery

A PD specifikációt felülvizsgálták annak érdekében, hogy ellássák az USB4 üzemmód felismerésére és az ehhez szükséges átkapcsolásra alkalmas üzenetekkel, az energiaszolgáltatás sémáinak változatlanul hagyása mellett. Az USB Type-C interfész konfigurációs csatorna (Configuration Channel – CC) vezetékeinek egyikén egy 300 kHz-es, egyvezetékes buszt használnak a hoszt és a csatlakoztatott készülék közötti kommunikációra, amely révén felismerik egymás képességeit, „megállapodnak” a kívánt teljesítményben és kicserélik egymás közt az ehhez szükséges adatokat (1. ábra).

1. ábra

A másik CC-vezeték játsza a „VCONN” szerepét, amely kifejezetten az USB-kábelbe épített elektronikus azonosító áramkör tápfeszültségét szolgáltatja. Az USB-portok között továbbított „hasznos” teljesítményt a csatlakozó külön e célra szolgáló vezetékei szállítják. Ezeket a „VBUS” jelölés különbözteti meg (lásd a 2. ábrát). Amikor két PD-vel rendelkező készüléket csatlakoztatunk egymáshoz, azok a CC vezetéken át felismerik egymást, egyeztetik az energiaellátási igényeket és lehetőségeket (mekkora feszültségeket, és feszültségenként mekkora teljesítményt kell szolgáltatni), tisztázzák, melyik készülék szolgáltatja, és melyik fogyasztja a szolgáltatott energiát, és a fogyasztónak mekkora teljesítményre van szüksége, majd elkezdődik a teljesítmény átvitele a VBUS vezetékeken. Ez a 300 kHz-es bitfrekvenciájú digitális jel szolgál annak deklarálására is, hogy a csatlakozás alkalmas az USB4 szabvány szerinti működésre. Elképzelhetetlen tehát, hogy az USB-kapcsolat ilyen kommunikáció nélkül, eleve alkalmas legyen az USB4 megvalósítására. Bár az USB4-portokkal szemben nincs semmilyen elvárás arra nézve, hogy a minimumként előírt 5 V / 900 mA-nél nagyobb teljesítményt is szolgáltassanak, de a PD-kommunikációt még ebben a legegyszerűbb esetben is támogatniuk kell ahhoz, hogy az USB4 követelményeinek megfelelően működhessenek.

Az energiaellátó funkció története az USB (Universal Serial Bus) korábbi generációiban

Ahhoz, hogy az USB4 által kínált felhasználói élményt helyesen értékelhessük, hasznos, ha áttekintjük az USB-csatlakozón keresztül megvalósuló energiaszolgáltatás történetét (2. ábra).

2. ábra Az USB energiaszolgáltatási módszerének fejlődése. Az egyedi szabványok a gyártótól függően különbözőek, míg az új USB-specifikációk garantálják a visszafelé kompatibilitást a korábbi specifikációkkal

A Universal Serial Bus eredetileg csak soros adatkommunikációt jelentett, legfeljebb 100 mA áram továbbításával a kábelen. Az USB 2.0 specifikáció 500 mA-ben korlátozta a VBUS vezetéken továbbítható áramot; ez elegendő volt az alapvető számítógép-perifériák energiaellátására. Az USB 3.0 szabvány 900 mA-re növelte ezt az áramkorlátot, de azoknak a hordozható készülékeknek, amelyekben egyetlen csatlakozóban volt egyesítve az adat és energia átvitele, ez rendszerint nem volt elegendő.
Az USB szabványbizottság ezek után kiadta a BC (Battery Charging) egymást követő generációit, utolsóként 2010-ben a BC 1.2 specifikációt, amely 1,5 A terhelőáramot (7,5 W töltőteljesítményt) engedett meg. Ezen a ponton sok okostelefon-gyártó adta fel, hogy továbbra is fenntartsa az USB-megfelelőséget. Ez oda vezetett, hogy minden gyártó saját protokollt kezdett használni, különféle feszültségszintekkel a D+ és D- vezetékeken (az USB adatvezetékein): például 2 V az egyik vezetéken és 2,7 V a másikon, amelyekkel 10 W, mindkét vezetéken 2,7 V feszültséggel pedig 12 W töltőteljesítményt lehetett elérni. Ha 3,3 V-ot alkalmaztak mindkét vezetéken, azzal 20 W-os töltés vált lehetővé, amely azonban nem megfelelő alkalmazás esetén valamelyik készülék károsodását is okozhatta. Ezek a töltési rendszerek tehát nem voltak „csereszabatosak”, a keverésük, téves használatuk előre nem látható következményekkel járt.
Ráadásul, mivel az adatvezetékeket használták arra, hogy meghatározzák velük a töltési szinteket, azok a továbbiakban nem voltak használhatók adatátvitelre. Ebből adódóan a port vagy fájlátvitelre, vagy gyorsabb töltésre volt használható, de egyidejűleg mindkettőre nem. Bárki tapasztalhatta, hogy a telefon „meghalt” töltés közben – az a port valószínűleg éppen 500 mA-es tápellátást szolgáltatott adatátvitel közben (pontosabban adatátvitel helyett – A szerk. megj.) az USB 2.0 előírásai szerint.
Ez a probléma motiválta az első PD-specifikáció (Revision 1) kibocsátását, amely univerzális szabványt hozott létre az 5 V-tól különböző (azt meghaladó) más feszültségekre a hagyományos, négyvezetékes USB-kábel felhasználásával. A visszafelé kompatibilitás fenntartása egy kapcsolatvezérlő (handshake) jel bevezetését tette szükségessé magán a VBUS-vezetéken, amelyet bonyolult volt megvalósítani, ezért az egész kezdeményezés – számottevő elfogadottság hiányában – érdektelenné vált. Az USB IF (Implementers Forum – az USB specifikáció megvalósítóinak közössége) ma már szeretné elfelejteni, hogy ezt a specifikációt valaha is leírták, és ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy mindenkinek el is kell felejtenie. Ez a megközelítés a továbbiakban érvénytelen és nem támogatott.
Jelenleg tehát a PD 2.0 és 3.0 szabvány létezik, a bennük foglalt programozható tápegység (Programmable Power Supply – PPS) specifikációkkal együtt. Ezeket az USB Type-C port specifikációjával együtt hozták létre, további jelcsatlakozások bevezetésével. A 2. és 3. változatok közötti különbség főként a CC kommunikációs részletkérdéseiben fedezhető fel. Mindkettő a korábbi USB-megvalósításokkal visszafelé kompatibilis (a már nem támogatott PD Revision 1 kivételével), és a felhasználói élmény is azonos. A készülékek egyeztetik egymással a töltési profilt, akár 20 mV-os felbontással (a programozható tápegység kialakításától függően). A PD-képességű készülékek képesek lehetnek akár 100 W teljesítmény szolgáltatására is (bár ez nem követelmény) a 20 V / 5 A-es specifikáción belül. A gyártóspecifikus, egyedi működésmódokat (azokat, amelyek az adatvezetékeket használják a töltési profil egyeztetésére) kifejezetten tilos használni, de az USB Type-C megengedi az egyszerűsített, 5 V-ról 1,5 A-es vagy 3 A-es töltési modell használatát, amely a digitális jelzésátvitel helyett a CC-vezetékre kapcsolt ellenállások segítségével tájékoztat a töltési profil jellemzőiről. A PD a Type-C portspecifikációnak nem része, ellenben a PD kötelezően előírja a Type-C port használatát. Ez az a pont, ahol az USB4 megváltoztatja a dolgokat (lásd 3. ábra): az USB4 ugyanis a PD kommunikációt használja az USB4 mód engedélyezéséhez.

3. ábra Az USB adat- és energiatovábbítási lehetőségei közti kapcsolat. Az USB 2.0 bármilyen USB-kábellel megvalósítható, beleértve a PD-vel vagy anélkül kialakított Type-C kábelt. Az USB 3.x járulékos nagy sebességű vezetékekkel ellátott kábelt, azaz PD-vel vagy anélkül kialakított Type-C kábelt igényel. Az USB4 csak Type-C csatlakozáson működhet, és annak is csak a PD-kommunikációra alkalmas változatán, de nem igényel adatkapcsolatot

Míg az új készülékek már az új, korszerűsített specifikációkat követik, a bonyolultságuk nem ebből ered, hanem abból, hogy képesnek kell lenniük együttműködni a régi szabványokkal, amelyek szerint a régebbi gyártású portok működnek. Az új USB4 portokat ezért bármelyik régebbivel össze lehet kapcsolni (lásd az 1. táblázatot).

1. táblázat Az USB energiaellátási üzemmódok összefoglalása

Alkalmazási esetek és felhasználói élmény

Azáltal, hogy az USB-szabványrendszer öt generációra visszanyúló kompatibilitást próbál fenntartani, összetett kép rajzolódik ki a lehetséges energiaszolgáltatási csatlakozástípusokról. Nyitva marad a nagy kérdés, mi legyen az összes régi USB-porttal és kábellel, és a felhasználók továbbra is azt kérdezik: „vajon fog-e tölteni?”. Szerencsére, ha eltekintünk a gyártóspecifikus, egyedi megoldásoktól, a megmaradó forgatókönyvek aránylag kis számú felhasználási esetre és élményre redukálódnak. Miközben mindegyik képes tölteni, meglehet, hogy nem mind teszi ezt kellő gyorsasággal.
Az USB4-gyel összefüggésben lényegében négyféle alkalmazási eset fordulhat elő:

1. 1.Egy hagyományos töltőport csatlakozik egy USB4 Type-C készülékhez egy adapterkábel közbeiktatásával.
2. Egy USB4 Type-C töltő csatlakozik egy hagyományos töltőporttal rendelkező készülékhez egy adapterkábel közbeiktatásával.
3. Egy USB4 Type-C port csatlakozik egy „nem-USB4” Type-C porthoz egy mindkét végén C-csatlakozójú kábellel, ellenállásosztóval a CC-vezetéken.
4. Két Type-C port csatlakozik egy mindkét végén C-csatlakozójú kábellel, és a CC-vezetéken kommunikálnak. Bármelyikük, vagy akár mindkettő lehet USB4 készülék.

Az USB-szabványok fogalmai szerint a 8 csatlakozópontos Apple Lighting csatlakozó ugyanazokat a jeleket továbbítja, mint egy hagyományos USB 3.x-kábel. A Lightning adapterhez Type-C-vel csatlakozó adapterkábelek a Type-C-ről micro-B-re vagy Type-C-ről Type-A-ra átalakító kábelekhez hasonlóan viselkednek az energiaátviteli funkció szempontjából. Az alábbiakban összegezzük, mit várhatunk az összes töltési alkalmazási esetben:

• Egy hagyományos töltőport csatlakozik egy USB4 Type-C készülékhez egy adapterkábel közbeiktatásával
  A hagyományos portokat, például az A- vagy B-típusúakat még a Type-C specifikáció megjelenése előtt tervezték (lásd az 1. ábrát). Nem volt és nem is lehet olyan követelmény, hogy ezekkel a portokkal valamilyen egyedi, gyorsított töltési séma valósuljon meg. Egy USB 2.0-port alapértelmezésben 500 mA töltőáramot tud szolgáltatni, egy USB 3.x-port pedig 900 mA-t. A jó hír az, hogy a legtöbb újabb USB-port támogatja a BC1.2 szabványt, amellyel 7,5 W teljesítményt lehet szolgáltatni. Függetlenül attól, hogy milyen adapterkábelt használunk, egy hagyományos töltőportra csatlakoztatott USB4 vagy Type-C készülék sem képes 7,5 W-nál nagyobb teljesítményt felvenni az USB-specifikációk keretein belül.
• Egy USB4 Type-C töltő csatlakozik egy hagyományos töltőporttal rendelkező készülékhez egy adapterkábel közbeiktatásával
  Azoknak az eseteknek, amikor egy USB4 töltőport van csatlakoztatva egy hagyományos készülékhez, néhány különféle kimenetele lehet. Az USB4 képes 1,5 A-t szolgáltatni a BC1.2 szabvány szerint, azaz ebben az esetben a kábel 7,5 W töltőteljesítményt továbbít. Ha az USB4 nincs előkészítve a BC1.2 protokoll által megkövetelt többletkommunikáció lefolytatására, az USB4-port az alapértelmezett 500 mA-t szolgáltatja az USB 2.0, illetve 900 mA-t az USB 3.x adatcsatlakozás esetén. Ez azzal a kudarcélménnyel járhat a felhasználó számára, hogy a legújabb USB-port is csak a leglassabb töltésre képes, ha azt adapterkábellel használjuk.
• Egy USB4 Type C port csatlakozik egy „nem-USB4” Type C porthoz egy mindkét végén C-csatlakozójú kábellel, ellenállásosztót kapcsolva a CC-vezetékre
  Ha akár a teljesítményszolgáltató, akár a fogyasztó Type-C ellenállásosztós módszerrel hirdeti ki az energiaellátási képességét, az egyértelműen előírja az energiaátvitel módját és korlátait. Az USB4 készülék nem lesz képes kommunikálni a CC vezetéken, de az itt alkalmazott áramgenerátorok vagy ellenállások alapján továbbra is felismeri a másik készüléket, a szolgáltató/fogyasztó szereposztásban elfoglalt helyét, és az áramkorlátot (1,5 vagy 3 A). A VBUS töltőfeszültség 5 V-on marad, és a fogyasztó készülék részére 7,5 W vagy 15 W töltőteljesítmény áll rendelkezésre. Mivel a készülék tudja, hogy nem PD-üzemmódban működik, jelzést adhat a felhasználónak arról, hogy a maximális felhasználói élményt nyújtó gyorstöltésnél lassabb töltésre számíthat.
• Type-C készülék csatlakozik Type-C készülékkel, és PD kommunikációt folytatnak
  Ez az energiaátvitel szempontjából a lehetőségek szerinti maximális képességű USB4 kapcsolat, de a pontos eredmények változhatnak. A két csatlakoztatott készülék letárgyalja a képességeik alapján elérhető legjobb teljesítményű energiaátviteli módot, amely akár 20 V feszültséget és 5 A áramot is jelenthet. Az egyeztetés az energiaszolgáltatói/fogyasztói szerepek kiosztására is kiterjed. Lehetséges például két energiafogyasztó összekapcsolása is, amelyek megállapodhatnak abban is, hogy egyikük sem szolgáltat energiát (ez valós használati eset, amikor két hordozható készüléket nem energiaátvitel, hanem adatátvitel végrehajtása érdekében kapcsolunk össze). Az energiaszolgáltatásra képes portok gyakran egy akkumulátor-rajzjelszimbólummal vannak megjelölve, ezért tehát sok esetben a felhasználó már eleve tudja, hogy a dokkolónak vagy a laptopnak melyik az a portja, amely energiaszolgáltatásra is használható. Az ilyen esetekben az energiaszolgáltató portnak legalább 1,5 A-t kell tudnia leadni 5 V-on (az így leadható maximális 7,5 W azonos a BC1.2 protokollal elérhető teljesítménnyel). Csak az ilyen esetekben engedi meg a szabvány a port megjelölését az USB-IF által jóváhagyott töltési szimbólummal. Az ennél nagyobb teljesítményszintek elérhetősége akkor sem garantált, ha a Type-C port töltési ikonnal van megjelölve. Mivel a két készülék teljesítményszintre vonatkozó egyeztetése 7,5 W-tól 100 W-ig bármilyen eredményre vezethet, a felhasználó csak akkor tudja, mi történik, ha legalább a készülékek valamelyike információt közöl számára a megállapodott teljesítményszintről (például a megállapodott teljesítményről vagy a gyorstöltésre alkalmas kapcsolat létesítésének tényéről küldött üzenet formájában). Ez a használati eset is bizonyára magában hordozza az előre nem látott helyzetből, illetve frusztráló eredményből fakadó negatív felhasználói élmény lehetőségét, de a felhasználó megfelelő tájékoztatásával és jól működő felhasználói interfésszel tökéletes felhasználói élmény is elérhető.

Összefoglalás

Az USB4 megjelenése jelentős sávszélesség- és képességnövekedéssel ruházhatja fel az USB-alkalmazásokat, de az USB 2.0 és az USB 3.x tovább él az olyan alkalmazásokban, amelyek kevesebb adat átvitelével is beérik. Az energiaszolgáltatási használati esetek még meg is sokszorozzák ezek számát, de okos alkalmazástervezéssel elkerülhető, hogy gyenge felhasználói élmény keltsen negatív benyomást az alkalmazások használóiban.

Szerző: Fionn Sheerin,
vezető marketingmérnök – 
Microchip Technology,
Analog Power and Interface Division

www.microchip.com