En översikt av konstruktioner för USB Type-C för enbart ström

Sedan den första standarden för USB introducerades 1996 har kontaktdon för USB och deras tillhörande standarder under åren genomgått en mängd olika förändringar när det gäller fysisk anslutningstyp, datahastighet och effektöverföringskapacitet. När USB Type-C® lanserades 2014 var det den senaste fysiska standarden. Den gav användarna fler möjligheter och flexibilitet tack vare dess dubbelriktade, vändbara hölje, snabbare dataöverföringshastighet och högre effekt. Ett kontaktdon för USB definieras av tre skilda, men besläktade, standarder: det fysiska kontaktdonet, dataöverföringsprotokollet och strömförsörjningen. Men, ofta uppstår förvirring när man tittar på förhållandet mellan standarderna. Innan vi diskuterar den nya trenden med kontaktdon av typen USB Type-C för enbart ström, är det värt att tydliggöra hur förhållandet mellan de olika standarderna för USB ser ut.

Förstå standarderna för USB

På en övergripande nivå, definierar den senaste standarden för USB Type-C endast det fysiska kontaktdonet som användarna ser i många av dagens mobiltelefoner och elektronikenheter. Protokoll för dataöverföring, som t.ex. USB 3.2 och nu även USB4, handlar enbart om den elektriska signalen. Även om de ofta används tillsammans, kan en ingenjör skapa ett system med specifikationen USB 3.2 för dataöverföring, men med ett eget kontaktdon som inte överensstämmer med standarden för det fysiska kontaktdonet för USB.

Samma sak gäller för specifikationen USB Power Delivery (PD). Genom sin konstruktion har ett kontaktdon av typen USB Type-C, enligt standarden för USB PD 3.0., stöd för en märkström på upp till 5 A, en märkspänning på upp till 20 V_DC och en effektöverföringskapacitet på upp till 100 W. Standarden USB PD 3.1, som lanserades 2021, har sedan dess utökat effektöverföringskapaciteten med upp till 240 W för USB Type-C. Även om kontaktdon av typen USB Type-C har stöd för USB PD, styrs specifikationen för Power Delivery i realiteten av laddningskretsen och begränsas enbart av det fysiska kontaktdonets spännings- och strömkapacitet. Den högre effektförmågan som kontaktdon av typen USB Type-C stödjer öppnar även dörren till en ny värld av strömförsörjningsmöjligheter.

Figur 1: Utveckling av effektnivåer för USB (Bildkälla: Same Sky)

Fördelarna med kontaktdon av typen USB Type-C i effektkonstruktioner

Med 16 dataöverföringskontakter, 4 strömkontakter och 4 jordkontakter stödjer ett vanligt kontaktdon för USB Type-C med 24 kontakter en effektöverföring på upp till 240 W. Detta gör kontaktdon av typen USB Type-C till en spännande lösning för strömförsörjningstillämpningar, och gör det möjligt att ersätta ett vanligt kontaktdon för likström även när dataöverföring inte behövs.

Standardisering är en av de största fördelarna med att använda USB för strömförsörjning. Kontaktdon för USB används allmänt i många olika branscher och USB Type-C fortsätter att etablera sig som ett universalkontaktdon i telefoner och mobila enheter. Till följd av detta har EU redan beslutat att införa standarden för kontaktdon av typen USB Type-C för alla framtida enheter som köps och säljs inom unionen. För en slutanvändare kan bekvämligheten med att bara behöva en enda färdig kabel som gränssnitt till en mängd olika produkter inte underskattas. OEM-tillverkare drar också nytta av en stabil försörjningskedja eftersom kontaktdon för USB är enkla att hitta och standardiseringen garanterar en nivå av driftkompatibilitet. Tack vare denna standardisering minskar även konstruktionsutmaningarna vid integrering. Kontaktdon av typen USB Type-C har i normalfallet dessutom ett mindre fysiskt format än många hylskontakter, samt en högre tillförlitlighet och längre livslängd med över 10 000 anslutningscykler.

Kontaktdon av typen USB Type-C ger enbart ström

Tack vare de fördelar som anges i föregående avsnitt, har Same Sky utvecklat uttag av typen USB Type-C för enbart ström, där laddning eller strömförsörjning är den enda avsedda användningen. Uttagen av typen USB Type-C med 60 W från Same Sky tar bort de 16 dataöverföringskontakterna och 2 av jordkontakterna, vilket innebär att endast 4 strömkontakter och 2 jordkontakter återstår.

Figur 2: Jämförelse av ett kontaktdon av typen USB Type-C med 24 kontakter och ett kontaktdon av typen USB Type-C med 6 kontakter för enbart ström (bildkälla: Same Sky)

Genom att ta bort 16 kontakter leder den förenklade konstruktionen med 6 kontakter till en betydande kostnadsminskning, jämfört med ett vanligt kontaktdon av typen USB Type-C med 24 kontakter. Detta sänker inte bara komponentkostnaden utan medför även att komplexiteten och felfrekvensen minskar tack vare färre kontakter och tillhörande lödpunkter som kan gå sönder. Även om dessa kontaktdon av typen USB Type-C för enbart ström inte överför data, är de fortfarande kompatibla med alla vanliga kablar för USB Type-C för både data och strömförsörjning. Detta ökar deras praktiska användning utan någon annan hårdvara eller krav på gränssnitt mellan kontaktdon och kabel.

Observera att när dataöverföringskontakterna har tagits bort sker inte någon strömförhandlingsprocess enligt USB 3.0, vilket innebär att laddningsanordningen återgår till normal strömöverföringshastighet på 5 V och 1 A för USB. I alla andra fall fungerar kontaktdonet som vilket annat strömuttag som helst och laddningen styrs av adaptern/laddningskretsen.

Andra scenarier för strömförsörjning

Även om de är ett lämpligt alternativ i en mängd olika tillämpningar och konstruktioner, har dedicerade strömförsörjningsalternativ, som t.ex. kontaktdon för likström fortfarande sin plats. Med en effektöverföringsgräns på 240 W är kontaktdon av typen USB Type-C helt enkelt inte ett alternativ för konstruktioner som kräver mer än 240 W. USB PD 3.1 öppnar dock upp för ännu fler effektmöjligheter jämfört med den tidigare gränsen på 100 W. Även om den standardiserade utformningen ger fördelar i många scenarier, finns det sannolikt fall där en annan utformning eller en annan typ av hölje kan vara ett lämpligare alternativ. Med andra ord, när ett mer specialanpassat kontaktdon behövs kan USB Type-C bli begränsat av sina standardiserade storlekar och begränsningar. Läs blogginlägget om att välja kontaktdon för likström från Same Sky, för mer information om när andra kontaktdon för strömförsörjning kan vara den bästa lösningen.

Framtidsutsikter för USB Type-C

Kontaktdon av typen USB Type-C och dess utbredda användning har gett konstruktörer nya sätt att se på strömförsörjning och överföring. Med en kapacitet på 240 W och med den globala standardiseringen av USB Type-C får de ett starkt fäste i en lång rad produkter och tillämpningar, även om lösningen inte är slutgiltig. Med sin låga kostnad och förenklade integration i konstruktioner blir uttag av typen USB Type-C från Same Sky ett tilltalande alternativ för kontstruktörer när strömförsörjning är den enda funktionen.

Same Sky erbjuder för närvarande ett horisontellt och ett vertikalt uttag av typen USB Type-C för enbart ström, med en maximal märkström på 3 A och en märkspänning på 20 V_DC.