Jak zjednodušit připojení pomocí USB-C

Osobní počítače, notebooky a tablety se stále zmenšují, a tak zbývá jen málo místa pro rozhraní a napájecí konektory. Současně se zvyšuje rychlost přenosu dat a rozrůstá se počet standardů datových, zvukových a obrazových rozhraní, z nichž každé má svůj charakteristický konektor rozhraní. Uživatelé však nadále požadují jednoduchost a flexibilitu. Řešením těchto problémů je fyzický konektor USB Type-C™ (USB-C).

Tento článek stručně pojednává o moderních požadavcích na připojení a o tom, jak je lze pomocí konektoru USB-C splnit. Článek obsahuje příklady dokovací stanice, konektoru a kabelů USB-C od společnosti Tripp Lite by Eaton a je v něm ukázáno, jak je lze použít ke zjednodušení konektivity zařízení.

Standardy USB

Standard rozhraní USB začal jako periferní sběrnice pro příslušenství počítačového rozhraní, jako jsou klávesnice, myši a vyjímatelné paměti. V průběhu let se z něj vyvinula řada standardů a stal se hlavním rozhraním pro počítače, periferní zařízení a telefony. Konektor přidal také možnost napájení („power delivery“, PD) a umožnil tunelování různých protokolů, jako je DisplayPort (DP), ethernet a HDMI („high-definition multimedia interface“, multimediální rozhraní s vysokým rozlišením). Nejnovější verze, USB 4, podporuje rychlosti přenosu dat 40 Gb/s a PD až 240 wattů (Rev. 3.1). Rozhraní si stále zachovává zpětnou kompatibilitu s dřívějšími verzemi standardu, jako je USB 3.2 a USB 2.0.

Konektory používané s rozhraním USB se vyvinuly z původních konektorů USB-A a USB-B a jejich variant na současný konektor USB-C. Posledním standardem USB, který umožňoval použití starších konektorů USB-A a USB-B, byl standard USB 3.2 Gen 2, který podporuje datové přenosy až 10 Gb/s. Standard USB 3.2 Gen 2x2 podporuje rychlosti přenosu dat 20 Gb/s a vyžaduje konektor USB-C, stejně jako USB 4.

Konektor USB-C

Fyzické konektory USB, jako je USB-C, se liší od standardů rozhraní USB, jako je USB 4. Konektory USB sestávající ze zástrček a zásuvek specifikovala samostatně organizace USB Implementers Forum (USB-IF). Přes všechny možnosti propustnosti a napájení jsou konektory USB-C malé, jen o málo větší než mikrokonektory USB-A, takže jsou vhodné i pro malá zařízení.

Konektor USB-C využívá 24 pinů uspořádaných tak, aby odpovídaly odpovídajícím kontaktům v obou orientacích, díky čemuž je konektor oboustranný. Přiřazení rozložení pinů signálu konektoru USB-C poskytuje přehled o funkcích napájení, dat a ovládání standardu USB (obrázek 1).

Obrázek 1: Přiřazení pinů signálu konektoru USB-C; odpovídající kontakty lze párovat v obou orientacích, takže konektor je oboustranný. (Zdroj obrázku: společnost Tripp Lite by Eaton)

USB PD je interaktivní specifikace napájení, která umožňuje zařízením vyjednávat o zdroji, odběru napájení (zátěži) a úrovni napájení dodávané pomocí rozhraní VBUS a zemnicích pinů. K dispozici jsou čtyři napájecí kontakty VBUS a čtyři napájecí uzemnění. Maximální úrovně výkonu jsou definovány standardem USB používaným v zařízeních a odpovídají specifikaci USB PD. V rámci USB PD jsou smlouvy o napájení mezi zdroji napájení a zařízeními zátěže vyjednávány pomocí linek Ccx („Channel Configuration“, konfigurace kanálu).

Linky CCx se používají k detekci orientace připojení a konfigurace kanálu. Používají se také k řízení napájení a signalizaci pomocí USB PD. V rámci USB PD je k dispozici maximální úroveň výkonu 240 wattů na základě napájecího napětí 48 voltů při proudové úrovni 5 ampérů. Přestože všechny kabely USB-C obsahují linky CCx a podporují USB PD, nemusí podporovat celý rozsah napětí a proudů specifikovaných v USB PD. Uživatelé by se měli seznámit s katalogovým listem kabelu pro podporovanou úroveň výkonu.

Vyhrazené linky D+ a D− zachovávají kompatibilitu se starším standardem USB 2.0, který pracuje s nižší rychlostí přenosu dat než současné verze USB.

Modře zvýrazněné piny zahrnují čtyři páry diferenciálních signálů, které tvoří dvě datové linky podporující standard SuperSpeed USB. Standard USB 3.2 Gen 2x1 podporuje rychlosti přenosu dat 10 Gb/s, standard USB 3.2 Gen 2x2 rychlost 20 Gb/s a standard USB 4 Gen 3x2 rychlost 40 Gb/s.

Linky SBU1 a SBU2 („Sideband Use“, pro další využití) jsou pomocné signály používané v alternativních režimech médií podporovaných specifikací USB-C, které umožňují víceúčelové použití sady konektorů. Kanál AUX se stará o správu propojení a řízení testovacího režimu. Po nastavení smlouvy o napájení mezi zařízeními může USB PD v alternativním režimu („Alt Mode“) iniciovat datová spojení , jako je DP. Vyjednává navazování spojení („handshaking“) v režimu Alt Mode pomocí zpráv definovaných dodavatelem („vendor-defined messages“, VDM) přes spoje SBU. Po vyjednávání DP Alt Mode bude DP pokračovat v trénování spoje k navázání spojení. Trénování spoje DP optimalizuje propojení mezi zdrojem DP a odběrem, aby bylo ke streamování dat zajištěno robustní spojení. Režim DP Alt Mode umožňuje kabelům USB-C zpracovávat data USB, VGA („video graphics array“, pole grafiky videa), DVI („digital visual interface“, digitální vizuální rozhraní), HDMI a videosignály DP.

Možností odesílání alternativních protokolů přes USB je tunelování protokolů. Tunelování protokolů vytváří tzv. „data pipe“ (datová potrubí) v jednom protokolu, který posílá přes kabel data z jiného protokolu. Pomocí tohoto mechanismu může tunel USB-C posílat mezi zařízeními data DP nebo PCIe.

Kabely USB-C

Kabely USB-C nabízejí různé délky, výkon a rychlosti přenosu dat, aby odpovídaly používanému standardu USB. Společnost Tripp Lite by Eaton nabízí téměř sto typů kabelů USB-C, které poskytují širokou škálu funkcí a možností rozšíření pro zařízení využívající konektory USB-C.

Dobrým příkladem je U520-31N, kabel USB 4 se zástrčkami na obou koncích. Kabel podporuje režim DP Alt Mode, který nabízí rozlišení videa 4K nebo 8K při obnovovací frekvenci 60 Hz. Kabel U520-31N je kompatibilní také s USB PD a je dimenzován tak, aby zvládl 5 A při 20 V a dodal 100 W energie. Kabel je dlouhý 0,792 5 m (2,6 stopy) a má jmenovitou maximální přenosovou rychlost 40 Gb/s. Upozorňujeme, že maximální přenosová rychlost kabelů USB-C se nepřímo mění s délkou.

Modelem pro srovnání je kabel MTB3-01M5-5A-B (obrázek 2) kompatibilní s USB 3.2 Gen 2x2 určený ke zpracování dat s přenosovými rychlostmi 20 Gb/s, který podporuje rozlišení videa 4K při 60 Hz. Stejně jako kabel USB 4 je kompatibilní s USB PD se stejným výkonem 100 wattů. Tento kabel má délku 1,5 m (5 stop), má tedy nižší maximální rychlosti přenosu dat.

Obrázek 2: MTB3-01M5-5A-B je kabel USB 3.2 Gen 2x2, který podporuje rychlosti přenosu dat až 20 Gb/s. (Zdroj obrázku: společnost Tripp Lite by Eaton)

Adaptéry USB-C

Adaptéry se připojují ke vstupnímu/výstupnímu („input/output“, I/O) portu počítače a převádějí jeho protokol na jiný standard. Například U436-06N-GB-C je síťový adaptér USB-C na gigabitový ethernet od společnosti Tripp Lite by Eaton, který funguje se zařízeními využívajícími USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 nebo USB 3.2 Gen 1 s rychlostmi přenosu dat až 5 Gb/s (obrázek 3).

Obrázek 3: U436-06N-GB-C je adaptér USB-C na gigabitový ethernet s nabíjecím portem USB-C. (Zdroj obrázku: společnost Tripp Lite by Eaton)

Vstupní konektor je zástrčka USB-C a výstupem je ethernetová zásuvka RJ-45. Adaptér také obsahuje zásuvku USB-C, která může dodávat až 60 wattů (20 voltů při 3 A). Tento adaptér umožňuje notebookům, které mají pouze konektor USB-C, používat kabelové ethernetové připojení, pokud je bezdrátové připojení nedostupné nebo je příliš pomalé.

Vzhledem k tomu, že standard USB zvládne mnoho různých protokolů, je přirozené, že se objevují víceportové adaptéry. Tyto adaptéry často poskytují datové komunikační porty, které již nejsou v menších přenosných počítačích dostupné.

Dobrým příkladem je model U444-06N-H4GUC2. Tento adaptér podporuje z portu USB-C počítače digitální zvuk, 4K video při 60 Hz, USB PD a gigabitový ethernet (obrázek 4).

Obrázek 4: Víceportový adaptér U444-06N-H4GUC2 doplňuje počítač o rozhraní HDMI, ethernet, nabíjecí port USB-C a port USB-A. (Zdroj obrázku: společnost Tripp Lite by Eaton)

Port USB-A na adaptéru U444-06N-H4GUC2 může dodávat 7,5 wattu (5 voltů při 1,5 A), zatímco nabíjecí port USB-C poskytuje 25 wattů (5 voltů při 5 A).

Dokovací stanice přeměňují notebooky na pracovní stanice

Dokovací stanice rozšiřují konektivitu notebooku přidáním více portů přes konektor USB-C. V podstatě přeměňují notebook na multifunkční pracovní stanici. Například dock USB-C U442-DOCK2-S od společnosti Tripp Lite by Eaton přidává vyhrazené porty pro HDMI, mini DP, VGA, ethernet, paměť SD a microSD, napájení USB-C a tři konektory USB-A (obrázek 5). Součástí je také 3,5mm jack pro sluchátka.

Obrázek 5: Dokovací stanice USB-C U442-DOCK2-S zvyšuje počet a typy portů dostupných z notebooku, včetně zvuku, videa, paměti, USB a ethernetu. (Zdroj obrázku: společnost Tripp Lite by Eaton)

Porty mini DP a HDMI podporují rozlišení 4K × 2K při 30Hz videu a port VGA podporuje rozlišení 1080p při 60 Hz. Ethernetový port RJ-45 podporuje ethernet 10/200/1 000 Mb/s. Tři porty USB-A lze použít pro periferní zařízení USB, jako je klávesnice, myš, flash disky, tiskárna nebo chytrý telefon. Dodávají až 7,5 wattu stejnosměrného proudu (5 voltů při 1,5 A). Obousměrný nabíjecí port USB-C zvládne až 60 wattů (20 voltů při 3 A).

Port USB-C notebooku umožňuje tuto řadu rozhraní díky multiprotokolových možnostem standardu USB.

Závěr

Konektory USB-C podporují datovou propustnost až 40 Gb/s, PD až 120 wattů a jsou oboustranné. Společnost Tripp Lite by Eaton nabízí širokou škálu řešení USB-C ve formě kabelů, adaptérů a dokovacích stanic, které podporují výkonné funkce a konektivitu z jediného konektoru USB-C, aby bylo možné plně využít možností tohoto standardu.