Connecteurs USB de type C et livre blanc sur l'alimentation adaptative

Introduction :

Le Bus de série universelle (USB) existe maintenant depuis presque 20 ans. Depuis la publication de la norme USB 1.1 en 1998, les ports USB se sont multipliés dans les ordinateurs, les systèmes de divertissement et les appareils électroniques de toutes sortes. Maintenant, une nouvelle combinaison de technologie USB promet de la vitesse, de la flexibilité et des niveaux d'énergie électrique sans précédent grâce à un seul connecteur USB Type-C.

Lorsque la spécification USB Type-C a été publiée en 2015, elle promettait de prendre en charge une plus grande vitesse, plus de puissance et plus de commodité que les technologies USB historiques. Un peu plus d'un an plus tard, la connexion USB Type-C est de plus en plus adoptée et elle change la façon dont les fabricants peuvent utiliser la connexion USB.

Bref historique de l'USB :

Des milliards de connecteurs USB sont expédiés chaque année, et l'USB fournit une connectivité de données et une alimentation aux appareils électroniques allant de la souris et du clavier aux appareils photos, dispositifs de stockage, téléphones et tablettes.

Clairement, l'USB est une technologie très réussie. En partie cela peut être attribué à la conception réfléchie de la technologie USB d'origine et à l'impact positif de la normalisation. En standardisant les interconnexions périphériques entre différents fabricants et plateformes électroniques, l'USB est devenu omniprésent. Mais dans la même mesure, le succès de l'USB a été motivé par les efforts constants des développeurs pour améliorer la spécification et améliorer les capacités de la technologie. Et, bien que bon nombre de ces améliorations n'aient concernées que des problèmes techniques en coulisses, les plus visibles d'entre elles ont principalement deux aspects : les débits de données et l'alimentation.

Taux de données... Versions plus récentes avec des vitesses plus élevées :

Depuis sa version de production originale, USB 1.1, la spécification a évolué au cours des générations, chaque technologie successive offrant plus de vitesse et plus de débit. Et pendant tout ce temps ces spécifications USB ont inclus avec soin l’avantage crucial, additionnel d’être rétro-compatible avec les versions précédentes USB

Un résumé des versions de USB comprendrait :

• Les spécifications de l’USB 1.1, publiées en 1998 définissent des vitesses de signaux initiales de 1,5 Mb/s (basse vitesse) et 12 Mo/s (pleine vitesse).
• Les spécifications de l’USB 2.0, publiées en 2000 ont ajouté une configuration « Haut débit », qui prend en charge des vitesses de signaux jusqu'à 480 Mbits/s.
• Les spécifications de l’USB 3.0, publiées en 2008 ont ajouté une configuration « Super Speed » avec une vitesse de signaux de 5 Gbit/s et une capacité supplémentaire de transmettre simultanément des données dans les deux sens sur la même connexion.
• Les spécification de l’USB 3.1, publiées en 2013 s’appuient sur les spécifications de l’USB 3.0 et ajoutent une nouvelle configuration appelée Superspeed USB + qui supporte des vitesses de signaux jusqu'à 10 Gb/s.

Alimentation... De l'alimentation de votre souris à l'alimentation de votre ordinateur :

À mesure que la technologie USB a évolué, elle a été capable de fournir de plus en plus d'énergie électrique d'un périphérique à un autre. La première spécification USB comprenait la possibilité d'alimenter des périphériques simples comme une souris, un clavier ou un petit lecteur de stockage. La puissance circulait toujours du côté hôte vers le périphérique, et la spécification permettait d'alimenter des configurations complexes comprenant plusieurs concentrateurs en cascade et des dizaines de périphériques.

Dans les premiers temps, cette spécification d'alimentation était un capacité secondaire. Elle fournissait seulement une quantité très limitée de puissance et cette puissance était seulement fournie en même temps qu'une connexion de données. Les spécifications USB ultérieures permettaient des niveaux plus élevés d'alimentation en aval pour accommoder les périphériques gourmands en énergie et éliminaient le besoin de périphériques courants tels que des périphériques de stockage portables d'avoir leur propre alimentation.

Les spécifications ultérieures telles que BC1.2 ont également pris en compte d'autres types de ports, y compris des configurations de port de charge dédié qui n'incluent pas du tout de connexion de données, mais fournissent un niveau de charge beaucoup plus élevé. Les ports de charge peuvent tirer leur puissance d'un appareil hôte ou même d'une source passives comme un chargeur mural. Cette configuration de port de recharge est devenue la connexion USB familière sur votre Smartphone qui sert à la fois de source d'alimentation électrique pour charger l'appareil et de connexion de données alternative pour le transfert de données depuis et vers l'appareil.

Dans sa configuration actuelle, la spécification USB 3.1 (et ses spécifications dérivées, voir ci-dessous le diagramme 1) permettent des configurations de puissance variées, allant des appareils basse consommation et basse vitesse qui utilisent moins de 100 mA à la haute tension des ports USB.C qui permettent de fournir jusqu'à 5 ampères à 20V (100W). Et bien que les modifications matérielles associées au connecteur USB Type-C signifient qu'un adaptateur est nécessaire pour connecter un ancien type de souris USB à un port de sortie haute puissance, la spécification USB 3.1 exige que ces différentes versions de l'électronique soient compatibles électriquement.

Diagramme 1 :

Les spécifications USB, en mettant l'accent sur l'alimentation

Connecteurs :

Tout au long de l'histoire des spécifications USB, la technologie a utilisé une structure de câblage pour le connecteur et une autre pour les périphériques. C'est pourquoi le câble USB courant comporte traditionnellement un connecteur boxy rectangulaire sur l'extrémité hôte et l'un des nombreux connecteurs standard plus petits (ou propriétaires) à l'autre extrémité.

Une configuration unidirectionnelle :

Avec les connexions USB historiques, vous avez deux types de connecteurs distincts. D'un côté, il y a le connecteur USB de type A, et l'autre extrémité est équipée d'un connecteur USB de type B.

Cette configuration asymétrique a été conçue pour forcer les utilisateurs à implémenter correctement leurs connexions USB. Les premiers développeurs craignaient qu'à moins que les limitations matérielles n'obligent les consommateurs à configurer correctement leurs connexions USB, les utilisateurs finaux non formés feraient des connexions incorrectes. Et même si une grande partie de ce travail visait à éliminer la confusion et à éviter les expériences négatives des utilisateurs, il s'agissait également d'un problème de sécurité pratique. La connexion de deux hôtes USB ensemble pourrait avoir provoqué une surcharge électrique qui aurait endommagé les circuits ou même posé un risque d'incendie.

Connecteurs USB de types A et B :

Il y a eu historiquement un seul type de connexion USB Type A, et il est présent dans tout système USB existant. Cette grande connexion rectangulaire est la connexion USB hôte familière que l'on trouve dans la plupart des systèmes informatiques et où les périphériques courants tels qu'une souris ou un clavier USB sont branchés sur leur système hôte. Ce connecteur hôte familier n'a pas changé depuis son apparition sur le marché à la fin des années 1990. Le connecteur USB de type A a été couplé avec une variété de connecteurs différents à la fin de l'appareil.

Les connexions USB de type B sont une variété de configurations USB qui se branchent généralement sur l'appareil que vous souhaitez connecter à votre ordinateur. Au cours de la durée de vie de la technologie USB, les connecteurs de type périphérique ou USB de type B ont évolué au fil des générations. Il y a eu différents types de connecteurs standard y compris les Mini USB et Micro USB, et Apple fabrique son propre connecteur USB personnalisé pour alimenter les iPhones et les iPads. Bref, l'extrémité de la connexion USB de type B a évolué.

Connecteurs USB de type C :

La spécification de connecteur USB de type C définit une toute nouvelle configuration pour les connecteurs USB. De petite taille comme un connecteur Micro USB Type B, l'USB Type-C se distingue également par le fait que les deux extrémités du connecteur sont identiques. De plus, chaque connecteur est identique de chaque côté, donc il n'y a pas de bon ou de mauvais branchement au port.

Cette connexion universelle éliminera la frustration et la confusion des utilisateurs lors de la connexion des périphériques. Et comme il n'y a qu'un seul type de connexion USB de type C et aucun moyen de brancher un connecteur USB de type C, vous pouvez utiliser n'importe quel câble pour alimenter et fournir des données à n'importe quel périphérique avec un connecteur de type C.

Physiquement, le très petit connecteur USC Type-C a 24 broches, 2 rangées de 12 broches. Les broches supplémentaires permettent 5 paires de câbles de communication de données, une paire traditionnelle et 4 paires super-vitesse. De plus, il y a l'ajout des broches CC, pour la communication de puissance. La broche CC (Canal de configuration) peut communiquer de manière primitive en utilisant des valeurs de résistance spécifiées standard pour indiquer la puissance maximale disponible de 5 V ou 3,3 V, jusqu'à un niveau de 3 ampères. Cependant, des tensions et des niveaux de puissance plus élevés peuvent être communiqués à l'aide de communications série sur la broche/fil CC, en harmonie avec la norme d'alimentation 2.0/3.0. Une certaine quantité de d'établissement de liaison dans les deux sens entre les deux micro-contrôleurs du port d'alimentation hôte et les alimentations qui utilisent le port arriveront sur la broche CC, avant qu'une tension supérieure et de puissance supérieure ne soit autorisée à être transférée.

Diagramme 2 :

Valeurs de résistance pour déclarer la capacité de courant de sortie

Les connecteurs USB Type-C sont optimisées pour prendre en charge les versions les plus récentes, plus rapides de la spécification USB, ce qui signifie que le signa d'USB 3.1 a des vitesses allant jusqu'à 10 Gb/s, en utilisant le différentiel de quatre fils-paires à super-vitesse et l'ancienne paire D + / D-, souvent désigné comme la paire différentielle non-super-vitesse. /p>

Régulation de la vitesse et de la puissance.

Dans le cas des technologies USB antérieures, l'USB conserve la compatibilité électrique antérieure en ajoutant de nouveaux composants à la connexion lors de l'ajout de nouvelles fonctionnalités. Ainsi, les technologies plus anciennes ne peuvent tout simplement pas se connecter et sont capables d'ignorer la connexion électrique des nouvelles versions. La régulation du débit de données était historiquement gérée par des ports intelligents qui incluaient toujours une connexion de données et des puces actives dans l'hôte et le périphérique.

Avec l'introduction de l'USB 3.1 et de la spécification de connecteur USB Type-C, les exigences pour réguler et gérer la puissance du bus sont plus complexes que jamais. Et avec jusqu'à 3 ampères de puissance passant par un câble USB de type C et fournissant assez de puissance pour permettre à une machine à besoins élevés comme un Apple Mac Book de fonctionner et charger ses batteries simultanément, il y a là clairement assez de puissance pour causer des problèmes avec des appareils anciens s'ils ne sont pas gérés correctement.

Régulation de puissance intelligente :

Pour les utilisateurs, le passage à l'USB 3.1 et l'USB Type-C est simple. Accéder simplement à un port compatible et profiter des avantages des débits de données plus élevés et d'une puissance disponible accrue. Mais la simplicité de la technologie pour les utilisateurs vient avec un compromis pour les développeurs. En termes simples, simplifier les choses pour les utilisateurs signifie que la technologie doit être plus robuste et plus résistante aux défaillances que les technologies de connexion antérieures. Et cela signifie un plus grand besoin de fiabilité et d'intelligence pour les périphériques USB car ils sont conçus, développés et diffusés au public.

Différence de l'USB Type-C :

Par rapport aux précédents normes, la norme USB-C 1.2 est une connexion dédiée qui fournit à la fois la puissance et la connectivité des données à vos appareils. Bien qu'il soit courant depuis l'introduction de la norme USB d'avoir une entrée d'alimentation pour les appareils mobiles via une connexion USB, la connexion USB-C est envisagée comme une alimentation plus robuste et capable, plutôt que comme une connexion principalement centrée sur les données

Une chose importante à retenir à propos de l'USB dans toutes ses variétés est que la structure d'alimentation électrique doit être extrêmement robuste pour fonctionner correctement dans une variété de configurations point à point et nodulaire. Cela signifie que les alimentations doivent fournir une puissance suffisante pour supporter une situation d'alimentation maximale, tout en minimisant l'énergie consommée par la source pour minimiser la chaleur, les déchets et l'usure physique.

La norme USB-C 1.2 avec alimentation USB la norme d'alimentation 2.0/3.0 définit plusieurs modes de fonctionnement pour répondre à ces diverses exigences d'limentation. Mais les périphériques conçus pour être alimentés par cette source ne peuvent accéder à ces multiples modes de fonctionnement que si l'alimentation, le câblage et tous les composants répondent aux nouvelles normes.

Certaines normes USB acceptées par l'industrie telles que QC2.0 et QC3.0 peuvent également jouer un rôle essentiel dans la fourniture d'une alimentation adaptative de 3,3 V à 20 V, avec des niveaux de puissance élevés provenant des ports de charge dédiés. Ces normes alternatives, bien qu'implicitement définies dans le groupe des normes USB, peuvent fournir des méthodes simples et efficaces pour fournir des négociations de niveau de tension avec la source d'alimentation hôte utilisant des réseaux de résistances sur les broches D + et D- de l'appareil USB alimenté. Bien que la norme QC2.0/3.0 soit généralement fournie à l'aide d'un connecteur USB de type A/type B, un connecteur de type C peut également être utilisé pour fournir cette puissance.

Bien que généralement fourni avec une puissance jusqu'à 18W, la norme QC2.0/3.0 peut être utilisée pour fournir des niveaux de puissance plus élevés, uniquement limités par les capacités de la source d'alimentation.

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Globtek conçoit et fabrique des blocs d'alimentation et des chargeurs de batterie répondant à divers besoins, allant des applications de base aux applications médicales et scientifiques avancées. Globtek fournit des alimentations et des câbles conçus pour fournir l'alimentation USB afin de prendre en charge les niveaux les plus élevés d'alimentation USB et de charge USB sans risque de surcharger les anciens appareils à des niveaux de tension et de puissance excessifs.

En optimisant le courant grâce à une alimentation électrique avancée de Globtek, les appareils gourmands en énergie peuvent recevoir l'énergie électrique dont ils ont besoin pour fonctionner, tout en garantissant que les systèmes hérités ne reçoivent que la puissance inférieure dont ils ont besoin pour fonctionner correctement.

Introduction:

The Universal Serial Bus (USB) has been around for almost 20 years now. Starting with the publication of the USB 1.1 spec in 1998, USB ports have proliferated in computers, entertainment systems and electronic devices of all kinds. Now, a new combination of USB technology promises speed, flexibility, and unprecedented levels of electrical power all via a single, USB Type-C connector.

When the USB Type-C specification was originally published in 2015, it promised to support greater speed, more power, and more convenience than historical USB technologies. A little over a year later, the USB Type-C connection is gaining greater adoption, and it is changing the way manufacturers can utilize the USB connection.

A Brief History of USB:

Literally Billions of USB connectors are shipped each year, and USB provides data connectivity and power input to electronic devices ranging from your computer mouse and keyboard to digital cameras, storage device, phones, and tablets.

Clearly USB has been a very successful technology. Partly this can be attributed to the thoughtful design of the original USB technology and the positive impact of standardization. By standardizing peripheral interconnections across different electronics manufacturers and platforms, USB became ubiquitous. But to a similar degree, the success of USB has been driven by the consistent efforts of developers to improve the specification and enhance the capabilities of the technology. And, although many of these enhancements have addressed only behind the scenes technical issues, the most visible of them have primarily come in two areas: Data Rates, and Power Delivery.

Data Rates… Newer Versions with Higher Speeds:

Since its original production version, USB 1.1, the spec has evolved through multiple generations, with each successive technology providing more speed, and more throughput. And all the while these USB specifications have carefully included the crucial, additional benefit of being backward compatible with previous versions of USB.

A summary of USB signaling versions to date would include:

• The USB 1.1 spec, published in 1998 defined initial signaling speeds of 1.5 Mb/s (Low Speed) and 12 Mb/s (Full Speed).
• The USB 2.0 spec, published in 2000 added a “Hi-Speed” configuration, which supports signaling rates up to 480 Mb/s.
• The USB 3.0 spec, published in 2008 added a “Super Speed” configuration with a signaling rate of 5 Gb/s and an added ability to transmit data in both directions over the same connection simultaneously.
• The USB 3.1 spec , published in 2013 builds upon the USB 3.0 spec and adds a new configuration called USB Superspeed+, which supports signaling rates of up to 10 Gb/s.

Power Delivery… From Powering Your Mouse to Powering Your Computer:

As USB technology has evolved, it has included an ability to supply increasing amounts of electrical power from one device to another. The earliest USB specification included the ability to supply power to simple peripheral devices like a mouse, keyboard, or small storage drive. Power always flowed from the host side to the device side, and the specification made allowances for powering complex configurations that included multiple cascaded hubs and dozens of peripheral devices.

In the early days, this Power Delivery specification was a secondary capability. It supplied only a very limited amount of power and this power was only supplied in conjunction with a data connection. Later USB specs made allowance for higher levels of simple downstream Power Delivery to accommodate power hungry devices and eliminated the need for common peripherals like portable storage devices to provide their own dedicated power sources.

The later specs such as BC1.2 also made allowances for more types of ports including a Dedicated Charging Port configurations that doesn’t include a data connection at all but provides a much higher level of charging power. Charging ports can pull their power from a host device or even from a “dumb” source like a wall charger. This Charging Port configuration has become the familiar USB connection on your Smartphone that acts as both the source of electrical power for charging the device and as the wire-based alternative data connection for transferring data to and from the device.

In its current configuration, the USB 3.1 specification(and it’s derivative specifications, see below Diagram 1) have allowances for a variety of power configurations, ranging from low power, low speed devices that draw under 100 mA to high-power USB Type-C ports that allow power draw of up to 5 Amps @ 20V (100W). And although hardware changes associated with the USB Type-C connector mean that an adapter is necessary to connect an old-style USB mouse to a high power draw port, the USB 3.1 specification requires that these different vintage of electronics are electrically compatible.

Diagram 1:

USB Specifications, focusing on Power Delivery Aspect

Connectors:

Throughout the history of the USB specifications, the technology has utilized a cabling structure where host systems utilize one type of connector and peripheral devices utilize another. That’s why the familiar USB cable traditionally features a boxy, rectangular connector on the host end and one of several standard (or proprietary) smaller connectors on the other end.

A Unidirectional Configuration:

With historical USB connections, you have two distinct connector types. On one end, there is the USB Type A connector, and the other end has a USB Type B connector.

This asymmetrical configuration was designed to force users to implement their USB connections correctly. Early developers feared that unless hardware limitations forced consumers to set up their USB connections correctly, untrained end users would make improper connections. And though much of this was intended to eliminate confusion and avoid negative user experiences, the was a practical safety concern as well. Connecting two USB hosts together could have led to a power overload that fried circuitry or even posed a fire hazard.

USB Types A and B Connectors:

There’s historically been only one type of USB Type A connection, and it is present in any legacy USB system. This large rectangular connection is the familiar USB host-end connection that is found in most computer systems and where common peripheral devices such as a USB mouse or keyboard are plugged into their host system. This familiar host connector has been unchanged in its appearance since the first USB products hit the market in the late 1990s. The USB Type A connector has been mated with a variety of differing connectors on the device end.

USB Type B connections are a variety of USB configurations that typically plug into the device you want to connect to your computer. In the lifespan of USB technology, device side, or USB Type B connectors have evolved through several generations. There have been a variety of standard connector types including things like Mini USB and Micro USB, and Apple makes its own custom USB connector for powering iPhones and iPads. Simply put, the USB Type B connection end has been a changing landscape.

USB Type-C Connectors:

The USB Type-C connector specification defines a completely new configuration for USB connectors. Small in size like a Micro USB Type B connector, USB Type-C is also distinct in that both ends of the connector are identical. What’s more, each connector is identical on each side, so there’s no right and no wrong way to plug it in to the port.

This universal connection will eliminate user frustration and confusion when connecting devices. And since there’s only one type of USB Type-C connection and no ‘wrong’ way to plug in a USB Type-C connector, you’ll be able to use any cable to power and provide data to any device with a Type-C connector.

Physically, the very small USC Type-C connector has 24 pins, 2 rows of 12 pins. The extra pins allow for 5 sets of data communications wire pairs, one legacy pair, and 4 super-speed pair. Additionally, there is the addition of the CC pins, for power delivery communication. The CC pin (Configuration Channel), can communicate in primitive fashion using standard specified resistor values to indicate to the maximum available 5V or 3.3V power, up to a 3 amp level. However, larger voltages and power level requirements can be communicated using serial communications on the CC pin/wire, in harmonization with the Power Delivery 2.0/3.0 standard. A certain amount of back and forth handshaking between the two micro-controllers in the power host port and power using port will all occur on the CC wire, before a higher voltage and power level are allowed to be transferred.

Diagram 2:

Downstream Facing Port, Resistor Values to declare Output Current Capability

USB Type-C connectors are optimized to support the most recent, highest-speed versions of the USB specification, which means USB 3.1 at signaling rates up to 10 Gb/s, using the four super-speed differential wire pairs, and legacy D+/D- pair, often referred to as the non-super-speed differential pair.

Regulating Speeds and Powers.

In the case of the earlier USB technologies, USB retains backward electrical compatibility by adding new components to the connection when adding new capabilities. That way, older technologies simply don’t connect to, and are able to ignore the electrical connection of the newer varieties. Data rate regulation was historically managed by smart ports that always included a data connection anyway and enabled chips in the Host and Device.

With the introduction of USB 3.1 and the USB Type-C connector specification, the requirements to regulate and manage bus power are more complex than ever before. And with up to 3 Amps of power coursing through a USB Type-C cable and providing enough power to allow a high-draw machine like an Apple Mac Book to simultaneously operate and charge its batteries, there’s clearly enough power there to cause issues with some legacy devices if not managed properly.

Smart Power Regulation:

For users, the move to USB 3.1 and USB Type-C is simple. Just access a compatible port and enjoy the benefits of higher data rates and increased power availability. But the simplicity of the technology for users comes with a tradeoff for developers. Simply put, making it simple for users means that the technology needs to be more robust and fault resistant than earlier connection technologies. And this means a greater burden of reliability and intelligence for USB devices as they are designed, developed and released to the public.

Differentiating USB Type-C:

As a departure from previous standards, the USB-C 1.2 standard is a dedicated connection that provides both power and data connectivity to your devices. Although it has been common since the introduction of the USB standard to have power input to mobile devices via a USB connection, the USB-C connection is envisioned as a more robust and capable power supply, rather than as a primarily data-centric connection that also provided a limited power supply to peripheral devices.

An important thing to remember about USB in all its flavors is that the power supplying structure must be extremely robust in order to function properly in a variety of hubbed and point to point configurations. This means that power supplies must provide adequate power to support a maximum draw situation, while minimizing power consumed from the source to minimize heat, waste, and physical wear.

The USB-C 1.2 standard along with USB Power Delivery 2.0/3.0 standard defines multiple modes of operation to accommodate these diverse power delivery requirements. But devices that are designed to be powered through this source can only access these multiple modes of power operation if the power supply, cabling, and all components meet the new standards.

Certain industry accepted USB standards such as QC2.0 and QC3.0 may also provide a vital role in delivery of 3.3V to 20V adaptive power, with high power levels form dedicated charging ports. These alternate standards although no implicitly defined in the group of USB standards, can provide simple efficient methods to provide voltage level negotiations with the host power source utilizing resistor networks on the D+ and D- pins of the powered USB appliance. Although the QC2.0/3.0 standard is typically delivered using USB type A /type B connector, a type C connector can also be utilized to deliver this power.

Although typically provided at up to 18W of power, the QC2.0/3.0 standard may be used to provide higher power levels, only limited by the capabilities of the power source.

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