Slik forenkles konnektivitet ved å bruke USB-C

PC-er, bærbare datamaskiner og nettbrett fortsetter å krympe, noe som gir lite plass til grensesnitt og strømkontakter. Samtidig øker datahastighetene, og det er et økende antall standarder for data, lyd og videogrensesnitt, der hver har sin særegne grensesnittkontakt. Brukere fortsetter imidlertid å kreve enkelhet og fleksibilitet. Løsningen på disse problemene er en fysisk USB Type-C™-kontakt (USB-C).

Denne artikkelen tar kort for seg moderne tilkoblingskrav og hvordan de kan oppfylles ved å bruke USB-C. Den inkluderer eksempler på USB-C-dokking, -kontakter og -kabler fra Tripp Lite by Eaton og viser hvordan disse kan brukes til å forenkle konnektiviteten til enheter.

USB-standarder

USB-grensesnittstandarden startet som en perifer buss for datamaskingrensesnittelementer, som tastaturer, mus og uttakbart minne. Gjennom årene har den blitt utviklet til en rekke standarder, og er nå det ledende grensesnittet for datamaskiner, periferiutstyr og telefoner. Den har også lagt til strømforsyning (PD – Power Delivery) og muliggjort gjennomledning (tunnelering) av ulike protokoller, som DisplayPort (DP), Ethernet og høydefinisjons multimediagrensesnitt (HDMI). Den nyeste versjonen, USB4, støtter datahastigheter på 40 gigabit per sekund (Gb/s) og PD på opptil 240 watt (Rev. 3.1). Den støtter fortsatt kompatibilitet med tidligere standardversjoner som USB 3.2 og USB 2.0.

Kontaktene som brukes med USB har utviklet seg fra de originale USB-A- og USB-B-kontaktene og deres varianter, til den nåværende USB-C-kontakten. USB 3.2 Gen 2, som støtter dataoverføringer på opptil 10 Gb/s, var den siste USB-standarden som muliggjorde bruk av eldre USB-A- og USB-B-kontakter. USB 3.2 Gen 2x2 støtter dataoverføringshastigheter på 20 Gb/s og krever en USB-C-kontakt. Det gjør USB4 også.

USB-C-kontakten

Fysiske USB-kontakter, slik som USB-C, skiller seg fra USB-grensesnittstandarder som USB4. USB-kontakter, som består av plugger og uttak, er spesifisert separat av USB Implementers Forum (USB-IF). På tross av all signalgjennomstrømningen og strømkapasiteten til USB-C-kontaktene, er de små, bare litt større enn USB-A-mikrokontakter, noe som gjør dem egnet for små enheter.

En USB-C-kontakt bruker 24 pinner anordnet slik at de forbinder samsvarende kontakter i begge retninger, noe som gjør den fysiske kontakten vendbar. Signalpinneuttakets (signal pin-out) tilordning i en USB-C-kontakt gir innsikt i USB-standardens strøm-, data- og styringsfunksjoner (figur 1).

Figur 1: Her vises USB-C-kontaktens signalpinnetilordninger. Samsvarende kontakter kan sammenkobles i begge retninger, noe som gjør kontakten vendbar (reversibel). (Bildekilde: Tripp Lite by Eaton)

USB PD er en interaktiv strømforsyningsspesifikasjon som gir enheter muligheten til å forhandle kilden, effektopptaket (lasten) og strømnivået som forsynes, ved hjelp av VBUS- og jordpinner. Det er fire VBUS-strømkontakter og fire strømjordinger (power ground). De maksimale strømnivåene er definert av USB-standarden som brukes i enhetene, og de samsvarer med USB PD-spesifikasjonen. Under USB PD forhandles strømkontrakter mellom strømkilder og lastenheter ved å bruke kanalkonfigurasjonslinjene (CCx – Channel Configuration).

CCx-linjene brukes til å detektere tilkoblingsretning og kanalkonfigurasjon. De brukes også til strømstyring og signalering med USB PD. Under USB PD er det maksimale effektnivået på 240 watt tilgjengelig basert på en forsyningsspenning på 48 volt, ved et strømnivå på 5 ampere (A). Selv om alle USB-C-kabler inkluderer CCx-linjene og støtter USB PD, støtter de kanskje ikke hele spekteret av spenninger og strømmer spesifisert i USB PD. Brukere bør se kabeldatabladet for strømnivået som støttes.

De dedikerte linjene, D+ og D–, opprettholder kompatibilitet med den eldre USB 2.0-standarden, som fungerer med lavere datahastighet enn de nåværende USB-versjonene.

De blå uthevede pinnene omfatter fire differensielle signalpar, og danner to datafelt som støtter SuperSpeed USB. Datahastigheter på 10 Gb/s for USB 3.2 Gen 2x1, 20 Gb/s for USB 3.2 Gen 2x2 og 40 Gb/s for USB4 Gen 3x2 støttes.

«Sideband Use»-linjene (SBU1 og SBU2) er hjelpesignaler som brukes i de alternative mediemodusene, som støttes av USB-C-spesifikasjonen, for å muliggjøre flerbruk av kontaktsettet. AUX-kanalen håndterer administrasjon av forbindelser og testmodusstyring. Etter å ha satt opp strømkontrakten mellom enheter, kan USB PD opprette dataforbindelser i alternativ modus (Alt Mode), slik som DP. Den forhandler Alt Mode-kvitteringsutveksling (handshaking) ved å bruke leverandørdefinerte meldinger (VDM – vendor-defined messages) over SBU-forbindelsene. Etter DP Alt Mode-forhandlingen vil DP fortsette med forbindelsesopplæring for å etablere tilkoblingen. DP-forbindelsesopplæringen optimerer forbindelsen mellom en DP-kilde og et effektopptak for å sikre robust tilkobling for strømming av data. DP Alt Mode gjør det mulig for USB-C-kabler å håndtere USB-data, VGA- (video graphics array), DVI- (digital visual interface), HDMI- og DP-videosignaler.

Et alternativ for å sende alternative protokoller over USB er protokoll-tunnelering. Protokoll-tunnelering oppretter en datarørledning (data pipe) i én protokoll, som sender data fra en annen protokoll over kabelen. Ved å bruke denne mekanismen kan en USB-C-tunnel sende DP- eller PCIe-data mellom enheter.

USB-C-kabler

USB-C-kabler tilbyr en rekke lengder, strømhåndtering og dataoverføringshastigheter for å matche USB-standarden som brukes. Tripp Lite by Eaton tilbyr nesten hundre USB-C-kabeltyper for å gi et bredt utvalg av funksjoner og utvidelsesmuligheter for enheter som bruker USB-C-kontakter.

Et godt eksempel er U520-31N, en USB4-kabel med plugger i hver ende. Den støtter DP Alt Mode, og tilbyr 4K- eller 8K-videooppløsning med en oppdateringsfrekvens på 60 Hertz (Hz). U520-31N er også kompatibel med USB PD og er klassifisert til å håndtere 5 A ved 20 volt for å levere en effekt på 100 watt. Kabelen er 0,8 m (2,6 fot) lang, og den har en nominell maksimal overføringshastighet på 40 Gb/s. Vær oppmerksom på at maksimal overføringshastighet for USB-C-kabler er omvendt proporsjonal med lengden.

Til sammenligning er MTB3-01M5-5A-B (figur 2) en USB 3.2 Gen 2x2-kompatibel kabel som er klassifisert til å håndtere dataoverføringshastigheter på 20 Gb/s, som støtter 4K-videooppløsning ved 60 Hz. I likhet med USB4-kabelen, er den USB PD-kompatibel med samme 100 watt-klassifisering. Denne kabelen har en lengde på 1,5 m (5 fot), og har derfor en lavere maksimal datahastighet.

Figur 2: MTB3-01M5-5A-B er en USB 3.2 Gen 2x2-kabel som støtter datahastigheter på opptil 20 Gb/s. (Bildekilde: Tripp Lite by Eaton)

USB-C-adaptere

Adaptere kobles til en inngang/utgang (I/O)-port på en datamaskin og konverterer protokollen til en annen standard. Tripp Lite by Eaton U436-06N-GB-C er for eksempel en USB-C til Gigabit-nettverksadapter som fungerer med enheter som bruker USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 eller USB 3.2 Gen 1 med datahastigheter på opptil 5 Gb/s (figur 3).

Figur 3: U436-06N-GB-C er en USB-C til Gigabit Ethernet-adapter med en USB-C-ladeport. (Bildekilde: Tripp Lite by Eaton)

Inngangskontakten er en USB-C-plugg, og utgangen er et Ethernet RJ-45-uttak. Adapteren inkluderer også en USB-C-kontakt som kan forsyne opptil 60 watt (20 volt ved 3 A). Denne adapteren gjør det mulig for bærbare datamaskiner, som kun har USB-C, å bruke en kablet Ethernet-tilkobling, hvis en trådløs tilkobling er utilgjengelig eller for langsom.

Gitt at USB-standarden kan håndtere mange forskjellige protokoller, er det naturlig at multiport-adaptere vil dukke opp. Disse adapterne har ofte datakommunikasjonsporter som ikke lenger er tilgjengelige på mindre bærbare datamaskiner.

Et godt eksempel er U444-06N-H4GUC2. Denne adapteren støtter digital lyd, 4K-video ved 60 Hz, USB PD og Gigabit Ethernet fra en datamaskins USB-C-port (Figur 4).

Figur 4: U444-06N-H4GUC2-multiport-adapteren legger til HDMI, Ethernet, en USB-C-ladeport og en USB-A-port til en datamaskin. (Bildekilde: Tripp Lite by Eaton)

USB-A-porten på U444-06N-H4GUC2 kan forsyne 7,5 watt (5 volt ved 1,5 A), mens USB-C-ladeporten leverer 25 watt (5 volt ved 5 A).

Dokkingstasjoner konverterer bærbare datamaskiner til arbeidsstasjoner

Dokkingstasjoner utvider konnektiviteten til en bærbar datamaskin ved å legge til flere porter via en USB-C-kontakt. De konverterer i virkeligheten en bærbar datamaskin til en flerfunksjonell arbeidsstasjon. For eksempel legger Tripp Lite by Eaton U442-DOCK2-S USB-C til dedikerte porter for HDMI, mini DP, VGA, Ethernet, SD- og microSD-minne, USB-C-strømforsyning og tre USB-A-kontakter (figur 5). En 3,5 mm hodetelefonkontakt er også inkludert.

Figur 5: U442-DOCK2-S USB-C-dokkingstasjonen øker antall og typer porter som er tilgjengelige fra en bærbar datamaskin, inkludert lyd, video, minne, USB og Ethernet. (Bildekilde: Tripp Lite by Eaton)

Mini DP- og HDMI-portene støtter 4K x 2K-oppløsning ved 30 Hz video, og VGA-porten støtter 1080P-oppløsning ved 60 Hz. Ethernet RJ-45-porten støtter Ethernet på 10/200/1000 megabit per sekund (Mb/s). De tre USB-A-portene kan brukes for USB-periferiutstyr, for eksempel tastaturer, mus, flash-stasjoner, skrivere eller smarttelefoner. De forsyner opptil 7,5 watt DC-strøm (likestrøm) (5 volt ved 1,5 A). Den toveis USB-C-ladeporten kan håndtere opptil 60 watt (20 volt ved 3 A).

Den bærbare datamaskinens USB-C-port gir denne variasjonen av grensesnitt ved å bruke USB-standardens multiprotokollfunksjoner.

Konklusjon

USB-C-kontakter støtter datagjennomstrømninger på opptil 40 Gb/s og PD på opptil 120 watt, og de er reversible. For å hjelpe til med å dra full nytte av mulighetene deres, tilbyr Tripp Lite by Eaton et bredt utvalg av USB-C-løsninger, slik som kabler, adaptere og dokkingstasjoner, for å støtte kraftig funksjonalitet og konnektivitet fra en enkelt USB-C-kontakt.