USB Type-C™, USB PD e USB 3.1 Gen 2: Nuovi standard per velocità e potenza

Di Bruce Rose, CUI Inc.

"Più veloce, più in alto, più forte" recita il leggendario motto olimpico, adattato ora per l'industria elettronica in "Più rapido, più piccolo e più facile da usare": il grido di battaglia per un nuovo standard per la connettività USB.

Sicuramente avete già avuto occasione di vedere una nuova generazione di prodotti dotati delle avanzate porte USB Type-C (USB-C™). Data la particolare capacità di questo connettore di trasmettere dati, potenza e anche audio tramite un'unica connessione cablata, si prevede un'impennata significativa di questa tendenza. Secondo la società di analisi di mercato ABI Research, abbiamo già raggiunto il punto di svolta per l'USB Type-C e, entro il 2021, le consegne globali di smartphone provvisti di questo connettore USB raggiungeranno gli 830 milioni. Con soli 9 mm di larghezza e 3,5 mm di altezza, è sicuramente più piccolo dei suoi predecessori e consente ai produttori di apparecchiature di creare dispositivi ancora più piccoli. Il suo debutto è arrivato al momento giusto anche per soddisfare le esigenze dei gruppi di prodotti emergenti, come la domotica, e di dispositivi IoT come i sensori intelligenti che si adattano perfettamente a questo recentissimo formato di connettori, più piccolo e meno ingombrante.

Facilità d'uso

Il cavo per le applicazioni USB-C può essere inserito da entrambe le estremità e può far fronte alla potenza richiesta per un dispositivo come un laptop, evitando l'uso di numerosi cavi per impieghi diversi.

Questa maggiore versatilità deriva da una maggiore complessità all'interno del connettore (Figura 1). Per cominciare, ha più conduttori. Diversamente dai connettori USB Type-A e Type-B che richiedono quattro o cinque conduttori, USB-C comprende 24 contatti che consentono l'inserimento bidirezionale e supportano quattro coppie di potenza e di terra, oltre a due coppie di segnali. Inoltre, la classificazione della sua durata arriva a 10.000 inserimenti, rispetto ai 1.500 per le versioni precedenti.

Immagine della specifica del connettore USB-C

Figura 1: La specifica del connettore USB-C è più esigente rispetto agli standard precedenti (immagine per gentile concessione di CUI Inc).

Le coppie di potenza e di terra per USB-C sono idonee per tensioni fino a 20 V. Anche la corrente nominale è stata aumentata per rispondere a una capacità nominale complessiva di 5 A, per trasferire una potenza fino a 100 W attraverso un'unica connessione USB-C. Inoltre, ogni coppia di pin dati è in grado di gestire velocità di trasferimento dei dati fino a 10 Gbps, il che significa che il connettore ha una capacità totale combinata di 20 Gbps.

Ultime specifiche di dati e potenza di USB-IF

Le ultime specifiche di dati e potenza di USB-IF, specie quelle per i dati ad alta velocità USB Power Delivery (USB PD), USB 3.1 Gen 2 e USB 3.2 finalizzate da poco, richiedono gli ingenti aumenti di capacità che contraddistinguono USB-C:

  • USB PD sfrutta tutte e quattro le coppie di potenza e di terra per utilizzare tutta la capacità di trasferimento di potenza di 100 W di USB-C
  • USB 3.1 Gen 2 utilizza un set di canali di dati per garantire una velocità di trasferimento di 10 Gbps
  • Analogamente, USB 3.2 controlla entrambi i set di canali di dati a 10 Gbps per mantenere trasferimenti fino a 20 Gbps

Dal punto di vista concettuale è importante mantenere lo standard USB-C, che definisce solo la connessione fisica, distinto dalle specifiche di USB PD e dati ad alta velocità [inclusi USB 3.1 Gen 1 (SuperSpeed), USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed +) e USB 3.2].

Ad esempio, anche se il connettore USB-C è studiato per supportare lo standard USB PD, per negoziare e gestire l'erogazione di potenza ai dispositivi connessi serve comunque un controller host compatibile con USB PD. Inoltre, il cavo deve essere configurato per supportare lo standard.

Ma USB PD ha più da offrire che non il solo aumento di potenza! Facilita l'erogazione bidirezionale di potenza, offrendo agli utenti molta più flessibilità per la ricarica e l'alimentazione dei loro dispositivi. Oltre a ciò, ora è possibile ottenere contemporaneamente potenza e flusso di dati grazie alla capacità di USB PD di eseguire la negoziazione di potenza tramite la connessione VBUS invece che tramite le connessioni dati. La Tabella 1 mostra qual è stato l'incremento delle capacità di trasferimento di USB nel corso delle ultime generazioni.

Specifiche Potenza max Tensione max Corrente max
USB 2.0 2,5 W 5 V 500 mA
USB 3.0 e 3.1 4,5 W 5 V 900 mA
USB BC 1.2 7,5 W 5 V 1,5 mA
USB Type-C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 20 V 5 A

Tabella 1: Specifiche di USB Power Delivery

Per quanto riguarda le specifiche di dati ad alta velocità, USB 3.1 Gen 2 definisce i segnali di dati e di potenza ma non specifica la connessione fisica. Questo apre la strada alla connessione di apparecchiature USB 3.1 Gen 2 che comunicano fino a 10 Gbps utilizzando i cavi e i connettori Type-A o Type-B tradizionali, sempre che abbiano caratteristiche di integrità di segnale, corrente e tensione sufficienti. Allo stesso modo, i connettori USB-C possono essere utilizzati per fornire standard di connessione tradizionali come USB 2.0, tramite semplici adattatori hardware.

Come effettuare le connessioni

È ovvio che i connettori USB-C o i cavi assemblati non sono tutti uguali e prodotti di qualità superiore offrono prestazioni superiori, che si manifestano attraverso comunicazioni più affidabili su cavi più lunghi.

Oltre a prendere in considerazione la qualità dei materiali e i connettori USB-C selezionati per i prodotti futuri, i progettisti hanno a disposizione due versioni di prese Type-C, illustrate nella Figura 2. Tradizionalmente, le prese standard con montaggio superficiale sono posizionate sopra una PCB. Ma questo porta a una situazione in cui l'altezza assemblata totale è la somma dello spessore della PCB e dell'altezza del connettore. In alternativa, il tipo di connettore a montaggio centrale può essere inserito in una rientranza praticata nella PCB. Anche se ciò consente un'altezza di montaggio complessiva inferiore, il tipo a montaggio centrale non permette di instradare le tracce di segnale sotto il connettore.

Immagine dei connettori USB-C a montaggio superficiale e a montaggio centrale

Figura 2: Connettori USB-C a montaggio superficiale e a montaggio centrale (immagine per gentile concessione di CUI Inc).

Conclusione

I connettori USB Type-C stanno diventando sempre più diffusi nel mondo dei prodotti elettronici consumer. A sostegno di questa domanda in crescita, il produttore di componenti elettronici CUI offre una gamma di connettori maschi e femmine USB Type-C di alta qualità sia a montaggio superficiale che a montaggio centrale. Questi connettori sono studiati per supportare le velocità di comunicazione definite nelle specifiche USB 3.1 Gen 2, rispondendo alle esigenze attuali e future dei progettisti.

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Informazioni su questo autore

Bruce Rose, CUI Inc.

Articolo di Bruce Rose, Principal Applications Engineer, CUI Inc.