Einfacher Verbinden mit USB-C

Personalcomputer, Laptops und Tablets werden immer kleiner, sodass nur noch wenig Platz für Schnittstellen und Stromanschlüsse bleibt. Gleichzeitig steigen die Datenraten und die Zahl von Daten-, Audio- und Videoschnittstellenstandards, die jeweils über einen eigenen Schnittstellenanschluss verfügen. Dennoch verlangt der Markt weiterhin nach Einfachheit und Flexibilität. Die Lösung für diese Probleme ist ein physischer Anschluss des Typs USB Typ-C™ (USB-C).

In diesem Artikel wird kurz auf moderne Verbindungsanforderungen eingegangen und wie diese mit USB-C erfüllt werden können. Er enthält Beispiele für USB-C-Docks, -Stecker und -Kabel von Tripp Lite by Eaton und zeigt, wie sie zur Vereinfachung der Geräteanschlüsse eingesetzt werden können.

USB-Standards

Der USB-Schnittstellenstandard begann als Peripheriebus für Computerschnittstellen wie Tastaturen, Mäuse und Wechselspeicher. Im Laufe der Jahre ist sie zu einer Reihe von Standards gereift und zur führenden Schnittstelle für Computer, Peripheriegeräte und Telefone geworden. Darüber hinaus wurde Power Delivery (PD, Stromversorgung) hinzugefügt und das Tunneln verschiedener Protokolle, wie DisplayPort (DP), Ethernet und High-Definition Multimedia Interface (HDMI), ermöglicht. Die neueste Version, USB4, unterstützt Datenraten von 40 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) und PD bis zu 240 Watt (Rev. 3.1). Die Abwärtskompatibilität mit früheren Standardversionen wie USB 3.2 und USB 2.0 wird beibehalten.

Die mit USB verwendeten Stecker haben sich von den ursprünglichen USB-A- und USB-B-Steckern und ihren Varianten zum aktuellen USB-C-Stecker entwickelt. USB 3.2 Gen 2, das Datenübertragungen mit bis zu 10 Gbit/s unterstützt, war der letzte USB-Standard, der die Verwendung älterer USB-A- und USB-B-Stecker erlaubte. USB 3.2 Gen 2x2 unterstützt Datenraten von 20 Gbit/s und erfordert einen USB-C-Anschluss, ebenso wie USB4.

Der USB-C-Steckverbinder

Physikalische USB-Anschlüsse, wie USB-C, unterscheiden sich von USB-Schnittstellenstandards wie USB4. USB-Steckverbinder, die aus Steckern und Buchsen bestehen, werden vom USB Implementers Forum (USB-IF) separat spezifiziert. Trotz ihrer Durchsatz- und Leistungsfähigkeiten sind USB-C-Steckverbinder klein und nur geringfügig größer als USB-A-Mikrostecker, wodurch sie sich für kleine Geräte eignen.

Ein USB-C-Stecker verwendet 24 Stifte, die so angeordnet sind, dass sie in beiden Ausrichtungen passen, wodurch der Stecker wendbar ist. Die Signalbelegung eines USB-C-Steckers gibt Aufschluss über die Strom-, Daten- und Steuerfunktionen des USB-Standards (Abbildung 1).

Abbildung 1: Abgebildet sind die Signalpinbelegungen des USB-C-Steckers; die Kontakte verbinden auch dann korrekt, wenn der Stecker um 180 Grad gedreht wird. (Bildquelle: Tripp Lite by Eaton)

USB PD ist eine interaktive Stromversorgungsspezifikation, die es den Geräten ermöglicht, die Stromquelle, die Stromsenke (Last) und den Strompegel, der über die VBUS- und Masse-Pins zugeführt wird, auszuhandeln. Es gibt vier VBUS-Stromversorgungskontakte und vier Erdungskontakte. Die maximalen Leistungswerte sind durch den in den Geräten verwendeten USB-Standard definiert und entsprechen der USB-PD-Spezifikation. Bei USB-PD werden Leistungsverträge zwischen Stromquellen und Lastgeräten über die Kanal-Konfigurationsleitungen (CCx) ausgehandelt.

Die CCx-Leitungen werden zur Erkennung der Verbindungsorientierung und der Kanalkonfiguration verwendet. Sie werden auch für die Leistungssteuerung und die Signalisierung mit USB PD verwendet. Unter USB PD steht eine maximale Leistung von 240 Watt zur Verfügung, basierend auf einer Versorgungsspannung von 48 Volt und einem Strom von 5 Ampere (A). Obwohl alle USB-C-Kabel die CCx-Leitungen enthalten und USB PD unterstützen, unterstützen sie möglicherweise nicht den gesamten Spannungs- und Strombereich, der in USB PD angegeben ist. Die unterstützten Leistungsstufen sind dem Datenblatt des Kabels zu entnehmen.

Die dedizierten Leitungen D+ und D- gewährleisten die Kompatibilität mit dem älteren USB 2.0-Standard, der mit einer niedrigeren Datenrate arbeitet als die aktuellen USB-Versionen.

Die blau hervorgehobenen Pins umfassen vier differentielle Signalpaare, die zwei Datenkanäle bilden und SuperSpeed USB unterstützen. Es werden Datenraten von 10 Gbit/s für USB 3.2 Gen 2x1, 20 Gbit/s für USB 3.2 Gen 2x2 und 40 Gbit/s für USB4 Gen 3x2 unterstützt.

Die Leitungen für die Seitenbandnutzung (SBU1 und SBU2) sind Hilfssignale, die in den von der USB-C-Spezifikation unterstützten alternativen Medienmodi verwendet werden, um eine Mehrfachnutzung des Steckersatzes zu ermöglichen. Der AUX-Kanal ist für das Link-Management und die Steuerung des Testmodus zuständig. Nach der Einrichtung des Leistungsvertrags zwischen den Geräten kann USB PD Datenverbindungen im alternativen Modus (Alt Mode) wie DP initiieren. Es handelt das Alt-Modus-Handshaking unter Verwendung von herstellerdefinierten Nachrichten (VDM) über die SBU-Links aus. Nach der Aushandlung des DP-Alt-Modus fährt das DP mit dem Link-Training fort, um die Verbindung herzustellen. Das DP-Link-Training optimiert die Verbindung zwischen einer DP-Quelle und -Senke, um eine stabile Verbindung für das Streaming von Daten zu gewährleisten. Der DP-Alt-Modus ermöglicht USB-C-Kabeln die Handhabung von USB-Daten sowie VGA- (Video Graphics Array), DVI- (Digital Visual Interface), HDMI- und DP-Videosignalen.

Eine Option zum Senden alternativer Protokolle über USB ist das Protokoll-Tunneling. Beim Protokoll-Tunneling wird eine Datenleitung in einem Protokoll erstellt, über die dann die Daten von einem anderen Protokoll über das Kabel gesendet werden. Mit diesem Mechanismus kann ein USB-C-Tunnel DP- oder PCIe-Daten zwischen Geräten übertragen.

USB-C-Kabel

USB-C-Kabel bieten eine Vielzahl von Längen, Leistungsaufnahmeoptionen und Datenübertragungsgeschwindigkeiten, die dem verwendeten USB-Standard entsprechen. Tripp Lite by Eaton bietet fast hundert Arten von USB-C-Kabeln an, um eine breite Palette von Funktionen und Erweiterungsmöglichkeiten für Geräte mit USB-C-Anschlüssen zu bieten.

Ein gutes Beispiel ist das U520-31N, ein USB4-Kabel mit Steckern an beiden Enden. Es unterstützt den DP-Alt-Modus und bietet 4K- oder 8K-Videoauflösung bei einer Bildwiederholrate von 60 Hertz (Hz). Der U520-31N ist auch mit USB PD kompatibel und kann 5 A bei 20 Volt für 100 Watt Leistung liefern. Das Kabel ist 2,6 Fuß (ft.) (0,7925 Meter (m)) lang und bietet eine maximale Übertragungsrate von 40 Gbit/s. Beachten Sie, dass die maximale Übertragungsrate von USB-C-Kabeln umgekehrt zur Länge variiert.

Zum Vergleich: Das MTB3-01M5-5A-B (Abbildung 2) ist ein mit USB 3.2 Gen 2x2 kompatibles Kabel, das für Datenübertragungsraten von 20 Gbit/s ausgelegt ist und 4K-Videoauflösung bei 60 Hz unterstützt. Wie das USB4-Kabel ist es USB-PD-kompatibel und bietet die gleiche Nennleistung von 100 Watt. Dieses Kabel hat eine Länge von 5 ft. (1,5 m), daher die geringere maximale Datenrate.

Abbildung 2: Das MTB3-01M5-5A-B ist ein USB-3.2-Gen-2x2-Kabel, das Datenraten von bis zu 20 Gbit/s unterstützt. (Bildquelle: Tripp Lite by Eaton)

USB-C-Adapter

Adapter werden an einen Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O-Port) eines Computers angeschlossen und konvertieren dessen Protokoll in einen anderen Standard. Der U436-06N-GB-C von Tripp Lite by Eaton beispielsweise ist ein USB-C-zu-Gigabit-Netzwerkadapter, der mit Geräten mit USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 oder USB 3.2 Gen 1 mit Datenraten von bis zu 5 Gbit/s funktioniert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der U436-06N-GB-C ist ein USB-C-zu-Gigabit-Ethernet-Adapter mit einem USB-C-Ladeanschluss. (Bildquelle: Tripp Lite by Eaton)

Der Eingangsanschluss ist ein USB-C-Stecker, und der Ausgang ist eine Ethernet-RJ-45-Buchse. Der Adapter verfügt außerdem über eine USB-C-Buchse, die bis zu 60 Watt (20 Volt bei 3 A) liefern kann. Mit diesem Adapter können Laptops, die nur über USB-C verfügen, eine kabelgebundene Ethernet-Verbindung nutzen, wenn eine drahtlose Verbindung nicht verfügbar oder zu langsam ist.

Da der USB-Standard mit vielen verschiedenen Protokollen umgehen kann, ist es nur natürlich, dass Multiport-Adapter entwickelt werden. Diese Adapter bieten oft Datenkommunikationsanschlüsse, die in kleineren Laptops nicht mehr vorhanden sind.

Ein gutes Beispiel ist der U444-06N-H4GUC2. Dieser Adapter unterstützt digitales Audio, 4K-Video mit 60 Hz, USB PD und Gigabit-Ethernet über den USB-C-Anschluss eines Computers (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Multiport-Adapter U444-06N-H4GUC2 erweitert einen Computer um HDMI, Ethernet, einen USB-C-Ladeanschluss und einen USB-A-Anschluss. (Bildquelle: Tripp Lite by Eaton)

Der USB-A-Anschluss des U444-06N-H4GUC2 liefert 7,5 Watt (5 Volt bei 1,5 A), während der USB-C-Ladeanschluss 25 Watt (5 Volt bei 5 A) leistet.

Dockingstationen verwandeln Laptops in Workstations

Dockingstationen erweitern die Verbindungsoptionen eines Laptops durch Hinzufügen mehrerer Anschlüsse über einen USB-C-Anschluss. Sie verwandeln einen Laptop im Wesentlichen in eine Multifunktions-Workstation. Die USB-C-Dockingstation U442-DOCK2-S von Tripp Lite by Eaton bietet beispielsweise zusätzliche Anschlüsse für HDMI, Mini-DP, VGA, Ethernet, SD- und microSD-Speicher, USB-C-Stromversorgung und drei USB-A-Anschlüsse (Abbildung 5). Ein 3,5-mm-Kopfhöreranschluss ist ebenfalls vorhanden.

Abbildung 5: Die USB-C-Dockingstation U442-DOCK2-S erhöht die Anzahl und Art der von einem Laptop aus verfügbaren Anschlüsse, einschließlich Audio, Video, Speicher, USB und Ethernet. (Bildquelle: Tripp Lite by Eaton)

Die Mini-DP- und HDMI-Anschlüsse unterstützen eine 4K-x-2K-Auflösung bei 30 Hz, und der VGA-Anschluss unterstützt eine 1080P-Auflösung bei 60 Hz. Der RJ-45-Ethernet-Anschluss unterstützt Ethernet mit 10/200/1000 Megabit pro Sekunde (Mbit/s). Die drei USB-A-Anschlüsse können für USB-Peripheriegeräte wie Tastatur, Maus, Flash-Laufwerke, Drucker oder Smartphone verwendet werden. Sie liefern eine Gleichstromleistung von bis zu 7,5 Watt (5 Volt bei 1,5 A). Der bidirektionale USB-C-Ladeanschluss kann bis zu 60 Watt (20 Volt bei 3 A) handhaben.

Der USB-C-Anschluss des Laptops ermöglicht diese Vielfalt an Schnittstellen durch die Multiprotokoll-Fähigkeiten des USB-Standards.

Fazit

USB-C-Steckverbinder unterstützen einen Datendurchsatz von bis zu 40 Gbit/s, PD bis zu 120 Watt und die Steckverbinder sind wendbar. Um deren Möglichkeiten voll auszuschöpfen, bietet Tripp Lite von Eaton eine Vielzahl von USB-C-Lösungen in Form von Kabeln, Adaptern und Docking-Stationen an, die leistungsstarke Funktionalität und Vernetzung über einen einzigen USB-C-Anschluss unterstützen.