Liitettävyyden yksinkertaistaminen USB-C-liittimen avulla

Henkilökohtaiset tietokoneet, kannettavat tietokoneet ja tabletit kutistuvat jatkuvasti jättäen rajapinta- ja virtaliittimille hyvin vähän tilaa. Samanaikaisesti tiedonsiirtonopeudet kasvavat ja data-, audio- ja videoliitäntästandardien määrä lisääntyy, ja kullakin niistä on omat rajapintaliittimensä. Käyttäjät silti vaativat yksinkertaisuutta ja joustavuutta. Ratkaisu näihin ongelmiin on fyysinen USB Type-C™ (USB-C) -liitin.

Tämä artikkeli käsittelee lyhyesti nykyaikaisia liitäntävaatimuksia ja sitä, miten ne voidaan täyttää USB-C-liittimien avulla. Se esittelee Tripp Lite by Eatonin USB-C-telakointi-, liitin- ja kaapeliesimerkkejä ja näyttää, miten niiden avulla voidaan yksinkertaistaa laitteiden liitäntöjä.

USB-standardit

USB-liitäntästandardia käytettiin aluksi tietokoneeseen liitettävien laitteiden, kuten näppäimistöjen, hiirien ja irrotettavien muistien, oheislaiteväylänä. Vuosien mittaan siitä kehittynyt sarja standardeja ja siitä on tullut johtava liitäntä tietokoneissa, oheislaitteissa ja puhelimissa. Siihen on myös lisätty tehonjakelu (PD), ja eri protokollien, kuten DisplayPortin (DP), Ethernetin ja HDMI:n (High-Definition Multimedia Interface), tunnelointi on mahdollistettu. Uusin versio, USB4, tukee 40 gigabitin tiedonsiirtonopeuksia sekunnissa (Gbit/s) ja jopa 240 watin PD-tehoa (Rev. 3.1). Se säilyttää yhä taaksepäinyhteensopivuuden aiempien standardiversioiden, kuten USB 3.2:n ja USB 2.0:n, kanssa.

USB-liittimet ovat kehittyneet alkuperäisistä USB-A- ja USB-B-liittimistä ja niiden muunnelmista nykyiseksi USB-C-liittimeksi. USB 3.2 Gen 2, joka tukee enintään tiedonsiirtonopeutta 10 Gbit/s, oli viimeinen vanhempien USB-A- ja USB-B-liittimien käytön salliva USB-standardi. USB 3.2 Gen 2x2 tukee tiedonsiirtonopeutta 20 Gbit/s ja vaatii USB-C-liittimen, kuten myös USB4.

USB-C-liitin

Fyysiset USB-liittimet, kuten USB-C, ovat eri asia kuin USB-liitäntästandardit, kuten USB4. USB Implementers Forum (USB-IF) määrittelee erikseen USB-liittimet, jotka koostuvat uros- ja naarasliittimistä. USB-C-liittimet ovat kaikista tiedonsiirto- ja virtaominaisuuksistaan huolimatta pienikokoisia, vain hieman USB-A-mikroliittimiä suurempia, joten ne soveltuvat pieniin laitteisiin.

USB-C-liittimessä on 24 nastaa aseteltuina siten, että yhteensopivat koskettimet voidaan liittää toisiinsa kumminkin päin, mikä tekee liittimestä käännettävän. USB-C-liittimen signaalinastajärjestys antaa tietoa USB-standardin virta-, data- ja ohjaustoiminnoista (kuva 1).

Kuva 1: Kuvassa on USB-C-liittimen signaalinastajärjestys. Yhteensopivat koskettimet voidaan liittää toisiinsa kumminkin päin, mikä tekee liittimestä käännettävän. (Kuvan lähde: Tripp Lite by Eaton)

USB PD on vuorovaikutteinen tehonjakeluspesifikaatio, jonka ansiosta laitteet voivat neuvotella virtalähteen, virtanielun (kuorman) ja syötettävän tehotason VBUS- ja maadoitusnastojen kautta. VBUS-virtakoskettimia on neljä ja virransyötön maadoituskoskettimia on neljä. Laitteessa käytettävä USB-standardi määrittelee maksimitehotasot, jotka noudattavat USB PD -spesifikaatiota. USB PD -spesifikaatiossa virtalähteiden ja kuormalaitteiden väliset tehosopimukset neuvotellaan konfigurointikanavalinjojen (CCx) välityksellä.

CCx-linjoja käytetään yhteyden suunnan ja kanavakonfiguraation tunnistamiseen. USB PD -protokollassa niitä käytetään myös tehonohjaukseen ja signalointiin. USB PD -tehonjakelun mahdollistama 240 watin enimmäisteho perustuu 48 voltin syöttöjännitteeseen ja 5 ampeerin (A) virtaan. Vaikka kaikki USB-C-kaapelit sisältävät CCx-linjat ja tukevat USB PD -spesifikaatiota, ne eivät välttämättä tue kaikkia USB PD -spesifikaatiossa määriteltyjä jännite- ja virta-alueita. Käyttäjien täytyy tarkistaa tuettu tehotaso kaapelin teknisistä tiedoista.

Dedikoidut D+- ja D- -johtimet säilyttävät yhteensopivuuden vanhemman USB 2.0 -standardin kanssa, joka toimii nykyisiä USB-versioita alhaisemmalla tiedonsiirtonopeudella.

Sinisellä korostetut nastat käsittävät neljä differentiaalista signaaliparia ja muodostavat kaksi SuperSpeed-USB-tekniikkaa tukevaa datakaistaa. Tuettuja tiedonsiirtonopeuksia ovat USB 3.2 Gen 2x1 -tiedonsiirtonopeus 10 Gbit/s, USB 3.2 Gen 2x2 -tiedonsiirtonopeus 20 Gbit/s ja USB4 Gen 3x2 -tiedonsiirtonopeus 40 Gbit/s.

SBU1- ja SBU2-linjat (Sideband Use) ovat USB-C-spesifikaation tukemissa vaihtoehtoisissa mediatiloissa käytettäviä apusignaaleja, jotka mahdollistavat liitinsarjan monikäyttöisyyden. AUX-kanava vastaa linkinhallinnasta ja testaustilan ohjauksesta. Kun laitteiden välinen tehosopimus on määritelty, USB PD voi käynnistää datayhteydet vaihtoehtotilassa (Alt Mode) kuten DP. Se neuvottelee vaihtoehtotilan kättelystä VDM (Vendor-Defined Message) -sanomilla SBU-linkkien kautta. DP jatkaa DP-vaihtoehtotilan neuvottelun jälkeen linkin koulutusta yhteyden muodostamiseksi. DP-linkin koulutus optimoi DP-lähteen ja -nielun välisen linkin, jotta varmistetaan robusti yhteys tiedonsiirtoa varten. DP-vaihtoehtotilassa USB-C-kaapelit voivat siirtää USB-dataa, VGA- (Video Graphics Array), DVI- (Digital Visual Interface), HDMI- ja DP-videosignaaleja.

Yksi tapa vaihtoehtoprotokollien lähetykseen USB:n kautta on protokollatunnelointi. Protokollatunnelointi luo yhden protokollan mukaisen dataputken, joka lähettää toisen protokollan dataa kaapelin välityksellä. Tämän mekanismin avulla USB-C-tunneli voi lähettää DP- tai PCIe-dataa laitteiden välillä.

USB-C-kaapelit

USB-C-kaapelit tarjoavat erilaisia pituuksia, teholuokituksia ja tiedonsiirtonopeuksia käytettävän USB-standardin mukaan. Tripp Lite by Eatonin valikoimaan kuuluu lähes sata erityyppistä USB-C-kaapelia laajan toimintojen ja laajennusvaihtoehtojen skaalan tarjoamiseksi USB-C-liittimiä käyttäville laitteille.

Hyvä esimerkki on U520-31N, USB4-kaapeli, jonka molemmissa päissä on liittimet. Se tukee DP-vaihtoehtotilaa ja tarjoaa 4K- tai 8K-videoresoluution 60 hertsin (Hz) virkistystaajuudella. U520-31N-kaapeli on myös USB PD -yhteensopiva ja luokiteltu 5 A:n virralle 20 voltin jännitteellä 100 watin tehon syöttämiseksi. Kaapelin pituus on 0,7925 metriä (m) (2,6 jalkaa (ft.)), ja sen luokiteltu enimmäissiirtonopeus on 40 Gbit/s. Huomaa, että USB-C-kaapeleiden suurin siirtonopeus on kääntäen verrannollinen pituuden kanssa.

Vertailun vuoksi MTB3-01M5-5A-B (kuva 2) on USB 3.2 Gen 2x2 -yhteensopiva kaapeli, joka on luokiteltu tiedonsiirtonopeudelle 20 Gbit/s ja joka tukee 4K-videoresoluutiota 60 Hz:n taajuudella. Se on USB4-kaapelin tavoin USB PD -yhteensopiva samalla 100 watin luokituksella. Tämän kaapelin pituus on 1,5 m (5 ft.), joten sen maksimi tiedonsiirtonopeus on alhaisempi.

Kuva 2: MTB3-01M5-5A-B on USB 3.2 Gen 2x2 -kaapeli, jonka maksimi tiedonsiirtonopeus on 20 Gbit/s. (Kuvan lähde: Tripp Lite by Eaton)

USB-C-sovittimet

Sovittimet liitetään tietokoneen I/O-porttiin, ja ne muuntavat sen protokollan toiseen standardiin. Esimerkiksi Tripp Lite by Eatonin U436-06N-GB-C on USB-C/Gigabit-verkkosovitin, joka toimii USB 3.0-, USB 3.1 Gen 1- ja USB 3.2 Gen 1 -standardeja käyttävien laitteiden kanssa ja sen tiedonsiirtonopeus on jopa 5 Gbit/s (kuva 3).

Kuva 3: U436-06N-GB-C on USB-C / Gigabitin Ethernet -sovitin USB-C-latausportilla. (Kuvan lähde: Tripp Lite by Eaton)

Tulo on USB-C-urosliitin ja lähtö on Ethernet RJ45-naarasliitin. Sovittimeen kuuluu myös USB-C-jakki, joka voi syöttää jopa 60 watin tehon (20 volttia 3 A:n virralla). Tämän sovittimen ansiosta kannettavat tietokoneet, joissa on pelkästään USB-C, voivat käyttää langallista Ethernet-yhteyttä, jos langatonta yhteyttä ei ole käytettävissä tai se on liian hidas.

Koska USB-standardi pystyy käsittelemään monia eri protokollia, on luonnollista, että markkinoille ilmestyy moniporttisovittimia. Nämä sovittimet tarjoavat usein sellaisia tiedonsiirtoportteja, joita pienempiin kannettaviin tietokoneisiin ei enää saa.

Hyvä esimerkki on U444-06N-H4GUC2. Tämä sovitin tukee digitaalista audiota, 4K-videota 60 Hz:n taajuudella, USB PD -tehonjakelua ja Gigabitin Ethernetiä tietokoneen USB-C-portin kautta (kuva 4).

Kuva 4: U444-06N-H4GUC2-moniporttisovitin lisää tietokoneeseen HDMI-portin, Ethernet-portin, USB-C-latausportin ja USB-A-portin. (Kuvan lähde: Tripp Lite by Eaton)

U444-06N-H4GUC2-mallin USB-A-portti voi syöttää 7,5 watin tehon (5 volttia 1,5 A:n virralla), kun taas USB-C-latausportti tarjoaa 25 wattia (5 volttia 5 A:n virralla).

Telakointiasemat tekevät kannettavista tietokoneista työasemia

Telakointiasemat laajentavat kannettavan tietokoneen liitäntäominaisuuksia lisäämällä siihen useita portteja USB-C-liittimen kautta. Ne muuttavat kannettavan tietokoneen monitoimityöasemaksi. Esimerkiksi Tripp Lite by Eatonin U442-DOCK2-S tarjoaa dedikoidut portit HDMI:lle, mini DP:lle, VGA:lle, Ethernetille, SD- ja microSD-muistille, USB-C-tehonjakelulle ja kolmelle USB-A-liittimelle (kuva 5). Siihen kuuluu myös 3,5 mm:n kuulokeliitäntä.

Kuva 5: U442-DOCK2-S USB-C -telakointiasema laajentaa kannettavan tietokoneen käytettävissä olevien porttien määrää ja tyyppejä tarjoten mm. audio-, video-, muisti-, USB- ja Ethernet-portit. (Kuvan lähde: Tripp Lite by Eaton)

Mini DP- ja HDMI-portit tukevat 4K x 2K-resoluutiota 30 Hz:n videotaajuudella, ja VGA-portti tukee 1080P-resoluutiota 60 Hz:n taajuudella. Ethernet RJ-45-portti tukee Ethernet-yhteyttä 10/200/1000 megabitin nopeudella sekunnissa (Mbit/s). Kolmea USB-A-porttia voidaan käyttää USB-oheislaitteille, kuten näppäimistölle, hiirelle, muistitikuille, tulostimelle tai älypuhelimelle. Ne syöttävät jopa 7,5 wattia DC-virtaa (5 volttia 1,5 A:n virralla). Kaksisuuntainen USB-C-latausportti tarjoaa jopa 60 watin tehon (20 volttia 3 A:n virralla).

Kannettavan tietokoneen USB-C-portti mahdollistaa nämä erilaiset liitännät käyttämällä USB-standardin moniprotokollaominaisuuksia.

Yhteenveto

USB-C-liittimet tukevat jopa 40 Gbit/s:n tiedonsiirtonopeutta, jopa 120 watin PD-tehonjakelua ja ne voidaan kytkeä miten päin tahansa. Jotta näiden liitinten ominaisuuksia voitaisiin hyödyntää täysimääräisesti, Tripp Lite by Eaton tarjoaa laajan valikoiman USB-C-ratkaisuja kaapeleiden, sovittimien ja telakointiasemien muodossa. Ne tukevat tehokkaita toimintoja ja liitettävyyttä yhden ainoan USB-C-liittimen kautta.