Hur man förenklar anslutningsmöjligheterna med USB-C

Persondatorer, bärbara datorer och tablets fortsätter att minska i storlek vilket medför att utrymmet för kontaktdon för gränssnitt och ström minskar. Samtidigt ökar datahastigheterna och antalet standarder för data-, ljud- och videogränssnitt, var och en med sitt unika kontaktdon för gränssnittet. Men, användarna fortsätter att kräva enkelhet och flexibilitet. Lösningen på dessa problem är ett fysiskt kontaktdon av typen USB Type-C™ (USB-C).

Artikeln diskuterar kortfattat moderna anslutningskrav och hur de kan uppfyllas med hjälp av USB-C. Den innehåller exempel på dockning, kontaktdon och kablage för USB-C från Tripp Lite by Eaton och visar hur de kan användas för att förenkla anslutningen av enheter.

Standarder för USB

Gränssnittsstandarden för USB började som en kringutrustningsbuss för gränssnittsprodukter till datorer, som t.ex. tangentbord, möss och flyttbara minnen. Genom åren har en rad olika standarder utvecklats och blivit det ledande gränssnittet för datorer, kringutrustning och telefoner. Dessutom har man lagt till PD (Power Delivery) och gjort det möjligt att skicka protokoll via tunnlar, protokoll som t.ex. DisplayPort (DP), Ethernet och HDMI (High Definition Multimedia Interface). Den senaste versionen, USB4, stödjer datahastigheter på 40 Gbit/s och PD med upp till 240 W (Rev. 3.1). Den är fortfarande bakåtkompatibel med tidigare standardversioner som t.ex. USB 3.2 och USB 2.0.

De kontaktdon som används för USB har utvecklats från de ursprungliga kontaktdonen USB-A och USB-B och deras varianter till det nuvarande kontaktdonet USB-C. USB 3.2 Gen 2, som har stöd för dataöverföring på upp till 10 Gbit/s, var den sista USB-standarden som tillät användning av äldre kontaktdon för USB-A respektive USB-B. USB 3.2 Gen 2x2 har stöd för en datahastighet på 20 Gbit/s och kräver ett kontaktdon för USB-C, vilket även USB4 gör.

Kontaktdonet för USB-C

Det fysiska USB-kontaktdonet för t.ex. USB-C är helt separerad från de faktiska gränssnittsstandarderna för USB, som t.ex. USB4. Kontaktdon för USB som består av kontakter och uttag specificeras separat av USB-IF (USB Implementers Forum). Kontaktdon för USB-C är små, bara något större än mikrokontaktdonen för USB-A, och deras kapacitet gör dem lämpliga i små enheter.

Ett kontaktdon för USB-C har 24 stift som är placerade så att de passar ihop med kompatibla kontakter, oavsett läge, vilket gör kontakten vändbar. Tilldelningen av signaler för ett USB-C-kontaktdon ger en inblick i USB-standardens ström-, data- och kontrollfunktioner (figur 1).

Figur 1: Här visas signalstiften för ett USB-C-kontaktdon. Kompatibla kontaktdon kan sammankopplas oavsett läge, vilket gör kontaktdonet vändbart. (Bildkälla: Tripp Lite by Eaton)

USB PD är en interaktiv specifikation för strömförsörjning som gör det möjligt för enheter att förhandla om strömkälla, strömbelastning och effektnivå via stiften VBUS och jord. Det finns fyra kontaktdon med VBUS respektive jord. De maximala effektnivåerna definieras av den USB-standard som används i enheterna och överensstämmer med specifikationen för USB PD. I USB PD sker en strömförhandling mellan strömkällor och lastenheter med via CCx-ledarna (Channel Configuration).

CCx-ledarna används för att detektera anslutningens riktning och kanalkonfiguration. De används också för effektstyrning och signalering för USB PD. I USB PD anges den maximala tillgängliga effektnivån till 240 W baserat på en matningsspänning på 48 V vid en strömnivå på 5 A. Även om allt kablage för USB-C innehåller CCx-ledare och stödjer USB PD, kanske de inte stödjer hela det spännings- och strömområde som anges i USB PD. Användare hänvisas till kablagets datablad för att se vilken effektnivå som stöds.

Ledarna som är dedicerade för D+ och D- bibehåller kompatibiliteten med den äldre standarden USB 2.0, som arbetar med en lägre datahastighet än de nuvarande USB-versionerna.

De blåmarkerade stiften omfattar fyra differentiella signalpar som bildar två datalänkar med stöd för SuperSpeed USB. Det finns stöd för datahastigheter på 10 Gbit/s för USB 3.2 Gen 2x1, 20 Gbit/s för USB 3.2 Gen 2x2 och 40 Gbit/s för USB4 Gen 3x2.

Ledarna SBU1 och SBU2 (Sideband Use) är hjälpsignaler som används för alternativa medialägen som stöds av specifikationen för USB-C, för att möjliggöra flera användningsområden för kontaktdonssuppsättningen. Kanalen för AUX hanterar länkhantering och styrning av testlägen. När strömförhandlingen mellan enheterna är klar kan USB PD initiera datalänkar i alternativt läge (Alt Mode), som t.ex. DP. Den förhandlar om handskakningen för Alt Mode med hjälp av VDM (Vendor-defined Messages) via länkarna för SBU. Efter förhandlingen om DP Alt Mode kommer DP att fortsätta med länkoptimering för att upprätta anslutningen. Länkoptimering för DP optimerar länken mellan källa och belastning för att säkerställa en robust anslutning för strömmande data. DP Alt Mode gör att kablaget för USB-C kan hantera data för USB, VGA (Video Graphics Array), DVI (Digital Visual Interface), HDMI samt videosignaler för DP.

En tunnel är ett alternativ för att skicka olika protokoll via USB. En datatunnel skapas för ett protokoll som skickar data från ett annat protokoll via kabeln. Med hjälp av denna mekanism kan en tunnel för USB-C skicka data för DP eller PCIe mellan enheter.

Kablage för USB-C

Kablage för USB-C har olika längder, strömförbrukning och dataöverföringshastigheter för att överensstämma med den USB-standard som används. Tripp Lite by Eaton erbjuder nästan hundra olika typer av kablage för USB-C för att tillhandahålla ett brett utbud av funktioner och utökningsalternativ för enheter som använder kontaktdon för USB-C.

Ett bra exempel är U520-31N, ett kablage för USB4 med kontakter i båda ändar. Den har stöd för DP Alt Mode, vilket möjliggör en videoupplösning i 4K eller 8K, med en uppdateringsfrekvens på 60 Hz. U520-31N är också kompatibel med USB PD och hanterar 5 A vid 20 V, vilket ger en effekt på 100 W. Kabeln är 0,8 m och har en nominell maximal överföringshastighet på 40 Gbit/s. Observera att den maximala överföringshastigheten för USB-C-kablage varierar omvänt med längden.

Som jämförelse är MTB3-01M5-5A-B (figur 2) ett kablage med kompatibilitet för USB 3.2 Gen 2x2 med en överföringshastighet på 20 Gbit/s, vilket möjliggör en videoupplösning i 4K vid 60 Hz. Precis som kablaget för USB4 är den kompatibel med USB PD och har samma effekt, 100 W. Detta kablage har en längd på 1,5 m, därav den lägre maximala datahastigheten.

Figur 2: MTB3-01M5-5A-B är ett kablage för USB 3.2 Gen 2x2 som har stöd för datahastigheter på upp till 20 Gbit/s. (Bildkälla: Tripp Lite by Eaton)

Adaptrar för USB-C

Adaptrar ansluts till en I/O-port på en dator och omvandlar dess protokoll till en annan standard. U436-06N-GB-C från Tripp Lite by Eaton är ett exempel på en nätverksadapter mellan USB-C och Gigabit som fungerar med enheter som använder USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 eller USB 3.2 Gen 1 med datahastigheter på upp till 5 Gbit/s (figur 3).

Figur 3: U436-06N-GB-C är en Ethernetadapter mellan USB-C och Gigabit med en laddningsport för USB-C. (Bildkälla: Tripp Lite by Eaton)

Ingångens kontaktdon består av en kontakt för USB-C och utgången består av ett uttag för Ethernet RJ-45. Adaptern har också ett uttag för USB-C som kan leverera upp till 60 W (20 V vid 3 A). Med adaptern kan bärbara datorer med endast USB-C använda en kabelansluten Ethernet-anslutning om den trådlösa anslutningen inte fungerar eller är för långsam.

Eftersom USB-standarden kan hantera många olika protokoll är det naturligt att det dyker upp adaptrar för flera olika portar. Adaptrarna består ofta av datakommunikationsportar som inte längre finns i mindre bärbara datorer.

Ett bra exempel är U444-06N-H4GUC2. Adaptern har stöd för digitalt ljud, video i 4K vid 60 Hz, USB PD och Gigabit Ethernet från datorns USB-C-port (figur 4).

Figur 4: Adaptern U444-06N-H4GUC2 utökar datorn med HDMI, Ethernet, en laddningsport för USB-C och en port för USB-A. (Bildkälla: Tripp Lite by Eaton)

Porten för USB-A på U444-06N-H4GUC2 kan leverera 7,5 W (5 V vid 1,5 A), medan laddningsporten för USB-C levererar 25 W (5 V vid 5 A).

Dockningsstationer omvandlar bärbara datorer till arbetsstationer

Dockningsstationer utökar anslutningsmöjligheterna för en bärbar dator genom att lägga till flera portar via ett kontaktdon för USB-C. De omvandlar i princip en bärbar dator till en arbetsstation med flera funktioner. U442-DOCK2-S med USB-C från Tripp Lite by Eaton är ett exempel där man lägger till dedicerade portar för HDMI, mini DP, VGA, Ethernet, SD- och microSD-minne, strömförsörjning via USB-C samt tre kontakter för USB-A (figur 5). Ett 3,5 mm hörlursuttag ingår även.

Figur 5: Dockningsstationen U442-DOCK2-S med USB-C ökar mängden och typen av tillgängliga portar för en bärbar dator, inklusive ljud, video, minne, USB och Ethernet. (Bildkälla: Tripp Lite by Eaton)

Portarna för Mini DP och HDMI har stöd för 4K x 2K-upplösning vid 30 Hz video, och VGA-porten har stöd för en upplösning på 1080P vid 60 Hz. Ethernetporten RJ-45 har stöd för 10/200/1000 Mbit/s Ethernet. De tre portarna för USB-A kan användas för kringutrustning som använder USB som t.ex. tangentbord, mus, USB-minnen, skrivare eller smartphone. Den kan leverera en effekt på upp till 7,5 W (5 V vid 1,5 A, likström). Den dubbelriktade laddningsporten med USB-C kan hantera upp till 60 W (20 V vid 3 A).

Den bärbara datorns port för USB-C möjliggör denna mängd olika gränssnitt tack vare USB-standardens funktionalitet för flera olika protokoll.

Sammanfattning

Kontaktdon för USB-C har stöd för dataflöden på upp till 40 Gbit/s, PD på upp till 120 W och är vändbara. För att du fullt ut ska kunna dra nytta av kapaciteten erbjuder Tripp Lite by Eaton ett brett utbud av lösningar för USB-C i form av kablage, adaptrar och dockningsstationer som stödjer kraftfulla funktioner och anslutningsmöjligheter via ett enda kontaktdon för USB-C.