USB Type-C: velocità di trasferimento dati, erogazione di potenza e standard USB

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 Citius! Altius! Fortius!, ovvero “più veloce, più in alto, più forte”: un equivalente del motto olimpico per l’industria elettronica, e in particolare per gli standard di connettività come USB potrebbe essere: “più veloce, più piccolo, più semplice da usare”.

I più recenti prodotti di elaborazione che si possono trovare sugli scaffali dei negozi di elettronica dispongono di porte USB Type-C™ (USB-C™).  Secondo gli analisti di ABI Research il 2017 è stato l’anno in cui l’adozione di USB-C ha raggiunto il cosiddetto “tipping point”, ovvero il punto di svolta: esso potrebbe già essere presente sulla scrivania degli utenti oppure essere integrato nel prossimo telefono Android ultra-sottile che essi intendono acquistare. Nel 2021, secondo le previsioni, saranno spediti 830 milioni di smartphone equipaggiati con una porta USB-C. Le dimensioni, pari a circa 9 mm di ampiezza e 3,5 mm di altezza, sono ridotte per consentire ai produttori di apparecchiature di realizzare prodotti ancora più piccoli e compatti. L’arrivo di questo nuovo connettore caratterizzato da un fattore di forma più piccolo è perfettamente sincronizzato con le esigenze tipiche delle nuove categorie di prodotti che stanno emergendo, come ad esempio i sensori smart per applicazioni IoT e l’automazione domestica che, molto semplicemente, non hanno spazio per ospitare i tradizionali (e ingombranti) connettori.

Per quanto riguarda la semplicità d’uso, il cavo può essere inserito in entrambe le direzioni e USB-C può gestire una potenza sufficiente per alimentare dispositivi come un laptop, eliminando il ricorso a più cavi per soddisfare esigenze diverse.

A fronte di questa maggiore versatilità, il connettore all’interno è leggermente più complesso (fig. 1). In primo luogo, sono presenti più conduttori. Rispetto ai connettore USB Type-A e Type-B, che prevedono 4 o 5 conduttori, il connettore USB-C contiene 24 contatti. Questi sono necessari per consentire l’inserimento reversibile (ovvero in entrambi i versi), il supporto di 4 coppie di alimentazione e di massa e due coppie di segnali. Anche la durata è aumentata: USB Type-C può supportare 10.000 inserzioni, contro le 1.500 dei precedenti modelli.

Figura 1  – Le specifiche del connettore USB-C sono più stringenti rispetto a quelle delle version precedenti

Le coppie di contatti di alimentazione e di massa di USB-C sono in grado di supportare tensioni fino a 20 V e correnti fino a 5 V: una singola connessione USB-C è quindi in grado di trasferire una potenza massima di 100 W.

Oltre a ciò, ciascuna coppia di pin di dati può gestire velocità di trasferimento dati fino a 10 Gbps, consentendo quindi al connettore di offrire una capacità aggregata totale di 20 Gbps.

Potenza e trasferimento dati: un po’ di chiarezza sulle specifiche

Questi significativi aumenti in termini di funzionalità sono necessari per garantire un supporto adeguato le più recenti specifiche relative alla potenza e al trasferimento dati rilasciate da USB-IF, ovvero USB Power Delivery (USB PD), USB 3.1 Gen 2 e la più recente USB 3.2 per il trasferimento dati ad alta velocità. In sistesi:

• USB PD sfrutta tutte e quattro le coppie di pin di potenza e di massa per supportare il trasferimento di potenza massimo di USB-C che come accennato appena sopra è pari a 100 W.
• USB 3.1 Gen 2 utilizza un insieme di canali dati per definire una velocità di trasferimento dati di 10 Gbps.
• In modo del tutto analogo, USB 3.2 sfrutta entrambe le coppie di canali dati di 10 Gbps per supportare velocità di trasferimento dati fino a 20 Gbps.

Dal punto di vista concettuale è importante separare lo standard USB-C, che definisce solamente la connessione fisica, dalle specifiche relative a USB PD e al trasferimento dati ad alta velocità (che comprendono USB 3.1 Gen 1 (SuperSpeed) e USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed +) oltre a USB 3.2).

Per esempio sebbene il connettore USB-C sia stato progettato per supportare la specifica USB PD, è necessaria la presenza di un controllore host compatibile con USB PD per negoziare e gestire l’erogazione di potenza con i dispositivi connessi. Il cavo inoltre deve essere configurato in modo da supportare lo standard. La specifica USB PD prevede non solo un aumento della potenza, ma anche la possibilità di un’erogazione bidirezionale della potenza stessa, dando così all’utente la possibilità di  fornire potenza e ricaricare i propri dispositivi. Oltre a ciò, è ora prevista la possibilità di supportare flussi di dati e di potenza contemporaneamente perchè USB PD esegue la negoziazione sulla connessione VBUS invece di utilizzare le connessioni dati. La tabella 1 mostra l’incremento delle capacità di trasferimento della potenza delle recenti generazioni dello standard.

Tab. 1 – Specifiche relative all’erogazione di potenza delle più recenti versioni dello standard USB

Per quanto riguarda le specifiche relative al trasferimento dati ad alta velocità, USB 3.1 Gen 2 definisce i segnali che riguardano i dati e la potenza, ma non la connessione fisica.  Per questo motivo è possibile collegare apparecchiature conformi a USB 3.1 Gen 2 che comunicano a una velocità massima di 10 Gbps utilizzando cavi e connettori legacy Type-A o Type-B, purché ovviamente abbiano le caratteristiche idonee in termini di corrente, tensione e integrità dei segnali. In modo del tutto analogo, i connettori USB-C possono essere usate per supportare standard di connessione di tipo legacy, come USB 2.0, mediante semplici adattatori hardware.

Realizzazione delle connessioni

Ovviamente non tutti i connettori USB-C, o assemblaggi di cavi, sono uguali. I prodotti di qualità più elevata garantiranno maggiori prestazioni, che si manifestano sotto forma di comunicazioni più affidabili su distanze più lunghe.

Oltre a prendere in considerazione la qualità dei materiali e i connettori USB-C selezionati per l’implementazione dei futuri prodotti, i progettisti possono anche scegliere due versioni di prese Type-C, come evidenziato in figura 2. Le prese tradizionali a montaggio superficiale sono posizionate sulla parte superiore della scheda PCB e in questo caso l’altezza totale dell’assemblaggio è dato dalla somma tra lo spessore della scheda PCB e l’altezza del connettore. In alternativa è possibile utilizzare la configurazione  “mid-mont”, in cui il connettore si innesta in una rientranza ricavata nella scheda PCB. Sebbene  questa configurazione permetta di ridurre l’altezza complessiva dell’assemblaggio, non dà la possibilità di istradare le piste dei segnali al di sotto del connettore.

Fig. 2 – Connettori USB-C in configurazione SMT e “mid-mont”

CUI Devices mette a disposizione una vasta gamma di spine e prese USB-C di elevato livello qualitative in entrambe le configurazioni appena descritte. I connettori sono progettati per supportare le velocità di comunicazione previste dallo standard USB 3.1 Gen 2 in modo da soddisfare le esigenze attuali e future dei progettisti

Ulteriori risorse

Visualizzate altre informazioni utili sulla connettività USB e sulla vasta gamma di connettori di CUI Devices , che prevede modelli da Type-A a Type-C

Leggete articoli pratici sulle seguenti tematiche – gestione termica, potenza, interconnessioni, audio  e controllo del movimento – nei blog Tech Insights di CUI Devices

Bruce Rose Principal Applications Engineer (CUI Devices)

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