Vereenvoudigde connectiviteit met USB-C

Personal computers, laptops en tablets worden steeds kleiner waardoor er maar weinig ruimte overblijft voor interface- en voedingsconnectoren. Daarnaast nemen de gegevenssnelheden toe en komen er steeds meer data-, audio- en video-interfacestandaarden, elk met een eigen interfaceconnector. Niettemin blijven gebruikers vragen om eenvoud en flexibiliteit. De oplossing voor deze problemen is een fysieke USB Type-C™ (USB-C) connector.

Dit artikel biedt een korte beschrijving van de moderne connectiviteitseisen en hoe hieraan kan worden voldaan met USB-C. Aan de hand van voorbeelden van USB-C-dockingstations, -connectoren en -kabels van Tripp Lite by Eaton laten we zien hoe deze kunnen worden gebruikt om de connectiviteit van apparaten te vereenvoudigen.

USB-standaard

De USB-interfacestandaard begon als een perifere bus voor computerinterface-items zoals toetsenborden, muizen en verwijderbaar geheugen. In de loop der jaren is dit uitgegroeid tot een reeks standaarden en is USB de toonaangevende interface voor computers, randapparatuur en telefoons geworden. Daarnaast is power delivery (PD) en tunneling van verschillende protocollen mogelijk, zoals DisplayPort (DP), ethernet en high-definition multimedia interface (HDMI). De nieuwste versie, USB4, ondersteunt gegevenssnelheden van 40 gigabit per seconde (Gbps) en een PD tot 240 watt (Rev. 3.1). Er is nog steeds achterwaartse compatibiliteit met eerdere standaardversies zoals USB 3.2 en USB 2.0.

De USB-connectoren zijn geëvolueerd van de oorspronkelijke USB-A- en USB-B-connectoren en hun varianten naar de huidige USB-C-connector. USB 3.2 Gen 2, met dataoverdracht tot 10 Gbps, was de laatste USB-standaard die het gebruik van oudere USB-A- en USB-B-connectoren toestond. USB 3.2 Gen 2x2 ondersteunt gegevenssnelheden van 20 Gbps en vereist een USB-C-connector, net als USB4.

De USB-C-connector

Fysieke USB-connectoren, zoals USB-C, staan los van de USB-interfacestandaarden zoals USB4. USB-connectoren, bestaande uit stekkers en receptacles, worden apart gespecificeerd door het USB Implementers Forum (USB-IF). Ondanks al hun doorvoer- en energiecapaciteiten zijn USB-C-connectoren klein, slechts iets groter dan USB-A-microconnectoren, waardoor ze geschikt zijn voor kleine apparaten.

Een USB-C-connector gebruikt 24 pinnen die zo zijn gerangschikt dat ze in beide richtingen passen, waardoor de connector omkeerbaar is. De signaalpintoewijzing van een USB-C-connector geeft inzicht in de voedings-, data- en besturingsfuncties van de USB-standaard (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Diagram van de signaalpintoewijzingen van de USB-C-connector waarbij overeenkomende contacten in beide richtingen kunnen worden gekoppeld, waardoor de connector omkeerbaar is. (Bron afbeelding: Tripp Lite by Eaton)

USB PD is een interactieve voedingstoevoerspecificatie waarmee apparaten kunnen onderhandelen over de source, de power sink (belasting) en het voedingsniveau dat wordt geleverd via de VBUS- en aardpennen. Er zijn vier VBUS-voedingscontacten en vier voedingsaardes. De maximale vermogensniveaus worden gedefinieerd door de USB-standaard die wordt gebruikt in de apparaten en voldoen aan de USB PD-specificatie. Onder USB PD worden voedingscontracten tussen voedingsbronnen en belastingapparaten onderhandeld met behulp van de CCx-lijnen (Channel Configuration).

De CCx-lijnen worden gebruikt om de verbindingsoriëntatie en kanaalconfiguratie te detecteren. Ze worden ook gebruikt voor voedingsregeling en signalering met USB PD. Onder USB PD is het maximale vermogen van 240 watt beschikbaar op basis van een voedingsspanning van 48 volt bij een stroomsterkte van 5 ampère (A). Hoewel alle USB-C-kabels de CCx-lijnen bevatten en USB PD ondersteunen, ondersteunen ze mogelijk niet het volledige spannings- en stroombereik dat is gespecificeerd in USB PD. Gebruikers moeten het gegevensblad van de kabel raadplegen voor het ondersteunde vermogensniveau.

De speciale D+ en D- lijnen zorgen voor compatibiliteit met de oudere USB 2.0-standaard, die met een lagere gegevenssnelheid werkt dan de huidige USB-versies.

De blauwe pinnen bevatten vier differentiële signaalparen en vormen twee datalanes die SuperSpeed USB ondersteunen. Gegevenssnelheden van 10 Gbps voor USB 3.2 Gen 2x1, 20 Gbps voor USB 3.2 Gen 2x2 en 40 Gbps voor USB4 Gen 3x2 worden ondersteund.

De lijnen voor zijbandgebruik (SBU1 en SBU2) zijn hulpsignalen die worden gebruikt in alternatieve mediamodi die worden ondersteund door de USB-C-specificatie om multifunctioneel gebruik van de connectorset mogelijk te maken. Het AUX-kanaal zorgt voor linkmanagement en testmodusregeling. Na het opzetten van het voedingscontract tussen apparaten kan USB PD datalinks in alternatieve modus (Alt Mode) starten, zoals DP. Het onderhandelt over de Alt Mode handshaking met behulp van door vendor-defined messages (VDM) over de SBU-links. Na de DP Alt Mode-onderhandeling gaat DP verder met linktraining om de verbinding tot stand te brengen. De DP-linktraining optimaliseert de link tussen een DP-source en DP-sink voor een robuuste verbinding voor het streamen van data. Met DP Alt Mode kunnen USB-C-kabels worden gebruikt voor USB-data, video graphics array (VGA), digital visual interface (DVI), HDMI en DP-videosignalen.

Een optie voor het verzenden van alternatieve protocollen over USB is protocoltunneling. Protocoltunneling creëert een datapijp in één protocol, die data van een ander protocol over de kabel stuurt. Met behulp van dit mechanisme kan een USB-C-tunnel DP- of PCIe-data verzenden tussen apparaten.

USB-kabels

USB-C-kabels bieden verschillende lengtes, energieverwerking en dataoverdrachtsnelheden afhankelijk van de gebruikte USB-standaard. Tripp Lite by Eaton levert bijna honderd soorten USB-C-kabels voor een breed scala aan functies en uitbreidingsopties voor apparaten met USB-C-connectoren.

Een goed voorbeeld is de U520-31N, een USB4-kabel met aan beide uiteinden een stekker. De kabel ondersteunt DP Alt Mode en biedt een videoresolutie van 4K of 8K bij een verversingssnelheid van 60 Hertz (Hz). De U520-31N is ook compatibel met USB PD en is geschikt voor 5 A bij 20 volt om 100 watt vermogen te leveren. De kabel is 0,8 meter (m) lang en heeft een nominale maximale overdrachtssnelheid van 40 Gbps. Merk op dat de maximale overdrachtsnelheid van USB-C kabels omgekeerd evenredig is met de lengte.

Ter vergelijking, de MTB3-01M5-5A-B (afbeelding 2) is een kabel die compatibel is met USB 3.2 Gen 2x2 en die data kan verwerken met overdrachtsnelheden van 20 Gbps, met ondersteuning van 4K-videoresolutie bij 60 Hz. Net als de USB4-kabel is deze compatibel met USB PD met dezelfde 100 watt rating. Deze kabel heeft een lengte van 1,5 m, vandaar de lagere maximale gegevenssnelheid.

Afbeelding 2: De MTB3-01M5-5A-B is een USB 3.2 Gen 2x2-kabel die geschikt is voor gegevenssnelheden tot 20 Gbps. (Bron afbeelding: Tripp Lite by Eaton)

USB-adapters

Adapters worden aangesloten via een I/O-poort (input/output) op een computer en converteren het protocol naar een andere standaard. Zo is de U436-06N-GB-C van Tripp Lite by Eaton bijvoorbeeld een USB-C naar gigabit netwerkadapter die geschikt is voor apparaten die gebruik maken van USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 of USB 3.2 Gen 1 met gegevenssnelheden tot 5 Gbps (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De U436-06N-GB-C is een USB-C naar gigabit ethernet-adapter met een USB-C oplaadpoort. (Bron afbeelding: Tripp Lite by Eaton)

De ingang is een USB-C-stekker en de uitgang is een RJ-45 ethernetaansluiting. De adapter bevat ook een USB-C-aansluiting die tot 60 watt kan leveren (20 volt bij 3 A). Met deze adapter kunnen laptops met alleen USB-C een bekabelde ethernetverbinding gebruiken als een draadloze verbinding niet beschikbaar of te traag is.

Aangezien de USB-standaard veel verschillende protocollen aankan, is het logisch dat er multipoortadapters worden ontwikkeld. Deze adapters bieden vaak datacommunicatiepoorten die niet meer beschikbaar zijn in kleinere laptops.

Een goed voorbeeld is de U444-06N-H4GUC2. Deze adapter ondersteunt digitale audio, 4K-video bij 60 Hz, USB PD en gigabit ethernet vanaf de USB-C-poort van een computer (afbeelding 4).

Afbeelding 4: De multipoortadapter U444-06N-H4GUC2 voegt HDMI, ethernet, een USB-C-oplaadpoort en een USB-A-poort toe aan een computer. (Bron afbeelding: Tripp Lite by Eaton)

De USB-A-poort op de U444-06N-H4GUC2 kan 7,5 watt leveren (5 volt bij 1,5 A), terwijl de USB-C-laadpoort 25 watt levert (5 volt bij 5 A).

Dockingstations zetten laptops om in werkstations

Dockingstations breiden de connectiviteit van een laptop uit door meerdere poorten toe te voegen via een USB-C-connector. Ze veranderen een laptop in feite in een multifunctioneel werkstation. De U442-DOCK2-S USB-C-dockingstation van Tripp Lite by Eaton voegt bijvoorbeeld speciale poorten toe voor HDMI, mini DP, VGA, ethernet, SD- en microSD-geheugen, USB-C-voeding en drie USB-A-aansluitingen (afbeelding 5). Ook is er een 3,5mm-koptelefoonaansluiting.

Afbeelding 5: Het U442-DOCK2-S USB-C-dockingstation verhoogt het aantal en het soort poorten die beschikbaar zijn op een laptop, waaronder audio, video, geheugen, USB en ethernet. (Bron afbeelding: Tripp Lite by Eaton)

De mini-DP en HDMI-poorten ondersteunen 4K x 2K resolutie bij 30 Hz video en de VGA-poort ondersteunt 1080P resolutie bij 60 Hz. De RJ-45 ethernetpoort ondersteunt 10/200/1000 megabit per seconde (Mbps) ethernet. De drie USB-A-poorten kunnen gebruikt worden voor USB-randapparatuur, zoals een toetsenbord, een muis, flash drives, een printer of een smartphone. Ze leveren tot 7,5 watt DC-vermogen (5 volt bij 1,5 A). De bidirectionele USB-C-oplaadpoort is geschikt voor maximaal 60 watt (20 volt bij 3 A).

De USB-C-poort op de laptop maakt deze verscheidenheid aan interfaces mogelijk door gebruik te maken van de multiprotocolopties van de USB-standaard.

Conclusie

USB-C-connectoren zijn omkeerbaar en ondersteunen datadoorvoersnelheden tot 40 Gbps en PD tot 120 watt. Om optimaal gebruik te kunnen maken van hun mogelijkheden, biedt Tripp Lite by Eaton een breed scala aan USB-C-oplossingen in de vorm van kabels, adapters en dockingstations voor krachtige functionaliteit en connectiviteit vanaf één USB-C-connector.