Skip to main content

Utazás az USB-C körül

Megjelent: 2024. április 11.

Mouser USB C cikk bevezető kép logovalHogyan alakítja a csatlakoztathatóság jövőjét a kombinált energiaellátás és adatátvitel

A hordozható elektronikai eszközök fogyasztói és ipari piacának növekedésével együtt nőtt a különböző típusú csatlakozók száma. A többféle USB-szabvány (Universal Serial Bus) a gyártók egyedi, szabadalmaztatott csatlakozóival együtt, egymással inkompatibilis, de azonos funkciót ellátó kábelrengeteget eredményezett. Közben az Európai Unióban és egyes vezető iparági szereplők a háttérben azon dolgoztak, hogy egy egységesített megoldással egyszerűsítsék a helyzetet, amivel egyszerre javíthatnák a felhasználói élményt, és csökkenthetnék a költségeket, valamint a keletkező hulladékmennyiséget.

 

Sokan az USB Type-C® (USB-C®) csatlakozóban látják az első olyan átfogó megoldást, amely a mobiltelefonoktól és táblagépektől kezdve az ultrabookokon keresztül az olyan szórakoztató elektronikai eszközökig képes megoldást nyújtani, mint a hordozható hangszórók vagy az elektromos fogkefék. Akár kis- vagy nagy teljesítményű töltésre, akár adatátvitelre vagy olyan alternatív üzemmódokra van szükség, mint a hang- és videokimenet, az USB-C minden tekintetben megállja a helyét.
Habár a kábelekkel kapcsolatos problémák ezzel lekerültek a fogyasztók válláról, a tervezési folyamat viszont némiképp bonyolultabbá vált. Azon tervezők számára, akik már ismerik az USB-C szabványt vagy éppen az áttérést fontolgatják, kiemelkedően fontos, hogy a tervezési folyamatot egyszerűsítő és a rendszerintegrációt felgyorsító megoldások széles választékához férjenek hozzá, amelyekkel képesek kielégíteni saját fejlesztéseik áramellátási, adatátviteli illetve a különböző alternatív üzemmódokkal kapcsolatos igényeit.

 

A csatlakozók egységesítése

Korábban a piacon megjelenő újabb és újabb eszközökben sok esetben a gyártó céljainak megfelelő csatlakozókat használtak. Ezek részben szabványos csatlakozók voltak, részben a gyártók saját fejlesztései. Számos esetben – főleg az olyan komolyabb eszközöknél, mint például a laptopok – az áramellátást és az adatkapcsolatot biztosító csatlakozók teljesen különböztek egymástól, külön-külön aljzatot és kábelt igényelve.
A fogyasztók számára a többféle kábel és töltő használata kényelmetlenséget jelentett, különösen utazás közben. Az eszközök újabb verzióinak megjelenése gyakran járt a csatlakozók változásával (például mini USB-ről mikro USB-re), ezáltal feleslegessé vált kábelek milliói kerültek a szeméttelepekre.
Ahogy az eszközök egyre kisebbekké és erőteljesebbé váltak, úgy nőtt az igény a nagyobb teljesítményre (a gyorsabb töltés érdekében) és gyorsabb adatátvitelre. Ez a folyamat vezette az USB Fejlesztői Fórumot az USB-C-szabvány kidolgozásához, amely megfelelt a legújabb eszközök által támasztott elvárásoknak.

1. ábra Az USB-szabvány az eszközök és a felhasználók igényeinek folyamatos változását követő fejlődése (Forrás: Texas Instruments)

Az USB-C elnevezés a csatlakozó fizikai kialakítására vonatkozik, maga az adatkommunikáció az USB 3.x és az USB 4.0 szabvány, illetve olyan protokollok szerint zajlik, mint például a Thunderbolt™. Az USB-C csatlakozó 60%-kal kisebb a korábbi USB-A csatlakozónál, azonban kis mérete ellenére több csatlakozó „pin”-t tartalmaz annál, valamint nagyobb feszültséget, áramerősséget és sávszélességet biztosít.

Mouser USB C cikk 2ábra

2. ábra Az USB-C csatlakozóban lényegesen több pin található, mint az előző generációkban (Forrás: Texas Instruments)

Az USB-C – a korábbi USB-csatlakozókkal ellentétben – szimmetrikus kialakítású, így minden próbálkozás esetében megfelelő csatlakozást biztosít. Ez a megoldás kiküszöböli a rossz állásban erőltetett behelyezésből eredő károsodást. Ráadásul a csatlakozó a tesztek során tízezer behelyezésre is alkalmasnak bizonyult, így sokkal tartósabb a régi USB-A csatlakozónál. Ez a szintű tartósság lehetővé teszi, hogy a kábelek lényegesen hosszabb ideig használhatók legyenek, drámaian csökkentve a keletkező hulladék mennyiségét.

 

USB-C tápellátás (Power Delivery – PD) és alternatív módok

Az USB-C kialakítása lehetővé tette az USB-interfész olyan képességekkel történő felruházását, mint például a tápellátás vagy audio- és videojelek továbbítása.
Az USB-n keresztüli tápellátás (USB Power Delivery – USB PD) az USB-interfész adatátviteli képességei mellett lehetővé teszi, hogy egyazon kábelen, egy időben az adatok mellett áram is továbbítható legyen. Ahogy más szabványok is, az USB PD is folyamatosan fejlődik, hogy lépést tartson a technológia változó igényeivel. A 3.1-es revízió 2021-es bejelentésével a továbbítható teljesítmény 100 W-ról 240 W-ra növekedett. Ezzel egy időben a korábbi verziók 5 V, 9 V, 15 V és 20 V feszültségei mellett új feszültségértékek (28 V, 36 V és 48 V) is elérhetővé váltak.
A 2021-es módosítás egy másik fontos változása az energiaátvitel kétirányúsítása, ami lehetővé tette az USB-rendszereken belüli energiamegosztást a hirtelen csúcsteljesítmény-igények kielégítésére. Például egy eszköz, amely egy USB-elosztón keresztül kapja az áramot, képes energiát visszatáplálni az elosztóba, amikor arra egy felpörgő merevlemez rövid idejű csúcsigénye miatt szükség van.
A megnövekedett teljesítmény kiterjeszti az USB PD előnyeit kihasználni képes eszközök körét, például a 100 W-ot meghaladó teljesítményt igénylő nagyobb laptopokra. Egy fali csatlakozón keresztül táplált monitor képes a számára videojelet szolgáltató laptopot ugyanazon az USB-kábelen árammal ellátni.
Az USB-C nem kizárólag az USB-protokollnak megfelelő adatátvitelre használható. Az USB-C Alt (alternatív) módja lehetővé teszi más protokollok (például a DisplayPort) használatát USB-C csatlakozáson keresztül. Ennek köszönhetően a csatlakozó alkalmas videojelforrások (számítógépek, Blu-ray-lejátszók) különböző megjelenítő eszközökre (televízió, monitor, projektor) történő továbbítására. Hasonlóképp, az Alt mód használatával a Thunderbolt interfész is működtethető USB-csatlakozón keresztül.
Nem minden USB-C port rendelkezik USB-C DisplayPort képességgel, mivel a csatlakozó azonos kialakítású, és az aljzat ilyetén jelölése nem elvárás. A különbséget az eszköz(ök)ben használt chipkészlet jelenti. Éppen ezért a funkció biztosítása érdekében ügyelni kell a megfelelő specifikáció meglétére.
Az USB-C egy nagyon sokoldalú interfész, amely képes nagy adatátviteli sebességet biztosítani az USB számára. Szintén nagy előnye, hogy tetszőleges pozícióban csatlakoztatható, képes akár 240 W teljesítmény átvitelére, és egyéb nagy sebességű protokollok használatát is lehetővé teszi. Mindez jelentős előnnyel jár a fogyasztók számára, azonban a tervezők számos kihívással kénytelenek szembesülni. A kisebb csatlakozóméret növeli a tokozási nehézségeket, a mindössze 0,5 mm-es érintkezőtávolság pedig nagyobb rövidzárlat-kockázatot jelent az USB-A típusú csatlakozó 2,5 mm-es közeihez képest. Amíg azonban egy azonos fizikai kivitelű csatlakozó széles körben elterjedt használata lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy számtalan egymástól eltérő hardverrel, szoftverrel és rendszerfeszültséggel rendelkező eszközt kapcsoljanak egymáshoz, ez egyúttal lehetővé teszi a nem megfelelő tápegységek csatlakoztatását is. A mérnökök képesek ezt a kihívást különböző diszkrét csatlakozóvédő áramkörök használatával leküzdeni, azonban ez a megoldás nem csupán időigényes, de növeli a szükséges áramköri lapkák méretét és a rendszerek összetettségét.

 

A TI USB-C termékválasztéka

A Texas Instruments (TI) átfogó USB Type-C-csatlakozóval rendelkező termékválasztékot kínál, olyan kiegészítő funkciókat is lefedve, mint az USB PD és az Alt mód. A különféle opcióknak és a magas szinten integrált eszközök elérhetőségének köszönhetően a tervezők gyorsan és könnyen hozhatnak létre a legújabb USB-szabványoknak megfelelő, funkciókban gazdag termékeket.
A TI TPS25750 USB Type-C & PD vezérlője teljes körűen vezérelt, robusztus védelemmel ellátott tápellátási útvonalakat integrálva egy teljes USB-C PD-megoldást kínál. A védelmi funkciók között megtalálhatók a fordított áram, a túlfeszültség, az alulfeszültség, a bemeneti áram és a felfutási sebesség vezérlése. A CC-érintkezők akár 26 V-ig is képesek ellenállni a nem megfelelő eszközök elleni védelem érdekében.

Mouser USB C cikk 3ábra

3. ábra A TI TPS25750 egy a sok magas fokon integrált, beépített PD-képességgel rendelkező USB Type-C-megoldás közül (Forrás: Mouser Electronics)

A magas fokon integrált TPS25750 egy, a külső akkumulátortöltő IC-ket I2C-n keresztül vezérlő áramkört is tartalmaz, ezzel is egyszerűsítve a tervezés folyamatát. Teljesen önálló megoldásként szükségtelenné teszi külső mikrokontroller vagy firmware fejlesztését kompletten működő USB-C-megoldások kialakításához.
Kifinomultabb alkalmazásokhoz a TPS65994AE Dual Port USB-C & PD vezérlő két USB-C-aljzathoz kínál kábelcsatlakozás- és orientációérzékelést. Az eszköz Alt módján keresztül támogatja az USB DisplayPort használatát, így a kábelérzékelést és a PD-igény felderítését követően a vezérlő elősegíti a tápellátási útvonal kialakítását, és konfigurálja az Alt mód beállításait a külső multiplexerek számára.
A TPS65994 két 5 V, 3 A, 29 mΩ forráskapcsolót kínál állítható áramkorlátozással. A nagyobb feszültségképességet igénylő alkalmazások számára a TPS65988DK USB Type-C & PD vezérlő egy pár 5 V–20 V, 5 A kétirányú kapcsolót tartalmaz, 10 A-ig terjedő áramkorlátozással.

Mouser USB C cikk 4ábra

4. ábra A TPS65994 könnyű megoldást kínál a dupla USB Type-C-megoldások tervezői számára (Forrás: Mouser Electronics)

A TI összes USB-C PD-megoldásához használható intuitív, webalapú, grafikus felhasználói felület (graphical user interface – GUI) egyértelmű blokkdiagramok és egyszerű, opcióválasztós kérdések segítségével gyűjti össze az alkalmazás igényeire vonatkozó alapvető információkat. A megadott információk alapján a GUI létrehoz egy, az adott alkalmazáshoz kialakított konfigurációs képet, csökkentve az alternatív PD-megoldásokból eredő összetettséget.

A TI USB-C megoldások átfogó csomagja a magas fokon integrált vezérlőkön túl kiterjed az olyan perifériális eszközökre is, mint például az USB-PD-CHG-EVM-01 PD és töltési kiértékelő modul, amivel a TPS25750 és a BQ25792 eszközök tesztelhetők. A BQ25792 egy integrált, kapcsolt üzemű, buck-boost, 1–4 cellás, 3,6 V…24 V bemeneti feszültségű Li-ion és Li-polimer akkumulátorokhoz szánt akkumulátortöltés-vezérlő eszköz.
A TI termékkínálatában számos egyéb, az USB-C-fejlesztések során hasznos eszköz található. Ilyen például az USB-vezetékekben fellépő tranziensek elnyomására szolgáló TVS2200 laposkapcsos (Flat-Clamp) túlfeszültség-védelmi eszköz.

 

Összefoglalás

Az USB jelentős fejlődésen ment keresztül, aminek eredménye az egyszerű, egységes csatlakozást biztosító, többek között PD és Alt mód kiegészítő funkciókat kínáló USB-C csatlakozó. A felmerülő technikai igények és az EU-s szabályozás együttes hatására az USB-C a fogyasztói és ipari alkalmazások többségében a táp- és adatcsatlakozás de facto szabványává válik.
A Texas Instruments magas integráltságú vezérlők átfogó választékát kínálja, amiben a legigényesebb alkalmazásokhoz is megtalálhatók az elvárásokat kielégítő funkciók és képességek. Mindez az akkumulátor vezérlésére és tranziensek elfojtására szolgáló perifériás eszközökkel együtt. A területre most belépő mérnököktől a tapasztalt USB-fejlesztőkig a Texas Instruments terméktámogató ökoszisztémája mindenki számára zökkenőmentes tervezési folyamatot biztosít.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics EMEA-területének műszaki tartalmakért felelős igazgatója

 

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren: https://twitter.com/MouserElecEU

 

#003f80