USB-C: Der neue Gorilla im Raum

Der Weg zu USB 3.1 und USB-C

Die Spezifikation zu Universal Serial Bus (USB) ist vor mehr als 20 Jahren – 1994 – entstanden, als die Entwicklung durch eine Gruppe von sieben Unternehmen, darunter Intel und Microsoft, angestoßen wurde. Der derzeitige Verwaltungsrat umfasst außerdem HP, Renesas und STMicroelectronics und wird allgemein als USB Implementers Forum (USB-IF) bezeichnet.

Die 1998 eingeführte Version USB 1.1 war die erste weitverbreitete Version. Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, hat sich die Datenrate mit späteren Ausgaben stetig verbessert.

Tabelle 1: USB-Freigaben (Quelle: Wikipedia)

Vor USB-C gab es drei Arten oder Größen, abhängig von den USB-Steckverbindern und etablierten Verbindungen: den alten „Standard” in den Varianten USB 1.1/2.0 und USB 3.0 (z. B. USB-Sticks), „Mini” (vorwiegend für den B-Steckverbinder, z. B. an Kameras) und „Micro” in den Varianten USB 1.1/2.0 und USB 3.0 (z. B. an den meisten aktuellen Mobiltelefonen).

Bisherige USB-Standards definieren zwei Steckverbinder (A-Typ und B-Typ), um eine elektrische Überlastung und Schäden an Geräten zu verhindern. Nur der A-Typ-Stecker liefert Strom. Jede „Größe” erfordert vier Steckverbinder. Die USB-Kabel verfügen über A-Typ- und B-Typ-Stecker und die dazugehörigen Buchsen befinden sich am Computer oder am Elektrogerät. In der Praxis hat der A-Typ-Steckverbinder für gewöhnlich die volle Größe und die B-Seite variiert nach Bedarf.

USB-C Spezifikation

Abbildung 1: Vergleich USB Typ A und Typ C. (Quelle: AliExpress)

Die neue Spezifikation für USB-Steckverbinder und -Kabel, USB-C, bringt eine Serie von Verbesserungen für USB-Verbindungen. Obwohl er wie auf Abbildung 1 zu sehen deutlich dünner ist als Typ A (2,4 mm vs. 4,5 mm) enthält der Steckverbinder 24 Pins vs. 5 in früheren Versionen. Der Steckverbinder ist außerdem umkehrbar und kann problemlos in beide Richtungen in die Buchsen eingesteckt werden.

USB-C soll zum gemeinsamen Standard für Hosts und Buchsen werden und damit die verschiedenen Typ-A- und Typ-B-Steckverbinder ablösen. Die Möglichkeit zur späteren Anpassung macht die Technologie zukunftssicher. Zusätzlich werden andere Standards durch den unten beschriebenen Wechselbetrieb akkommodiert.

Angesichts der Allgegenwärtigkeit von den bisherigen USB-Versionen und den zu erwartenden Zukunftsaussichten wird mit augenzwinkerndem Verweis auf Tolkien von dem einen Standard „sie zu knechten” gesprochen – und das aus gutem Grund.

Was ist USB-C – und was ist es nicht

USB-C ist eine Spezifikation für Steckverbinder und Kabel und ist von zwei verwandten Spezifikationen abzugrenzen: USB 3.1 und der USB-Power-Delivery-Spezifikation.

Ein Produkt mit USB-C unterstützt nicht zwangsweise USB 3.1 oder USB-Power-Delivery. USB-C-Kabel und -Steckverbinder können zum Beispiel in standardmäßigen USB 2.0 Systemen verwendet werden, die weder USB 3.1 noch USB-PD unterstützen.

Das macht Sinn: Denn ein USB-Stick hat beispielsweise einen Typ-A-Steckverbinder, der nur USB 2.0 unterstützt, muss jedoch in der Lage sein, an ein Laptop mit USB-C-Buchse angeschlossen zu werden. Aber machen Sie sich keine Sorgen, es gibt eine Vielzahl von Adapterkabeln.

USB-C Pinbelegung

Abbildung 2: USB-C Pinbelegung. (Quelle: Arstechnica)

Abbildung 2 zeigt die USB-C Pinbelegung. Sie besteht aus fünf unterschiedlichen Bereichen:

1)      4 VBUS/GND Strom- und Massedifferenzialpaare

2)      High-Speed-Datenpfad: 4 Differenzialpaare für den USB 3.1 Superspeed-Modus, falls umgesetzt. SuperSpeed verwendet Vollduplex-Kommunikation.

3)      2 USB 2.0 D+/D- Paare:  erforderlich, um USB 2.0-Fähigkeit zu implementieren (nur 1 Paar verwendet)

4)      2 Seitenbandpins: verfügbar für Alternate Mode Verwendung

5)      2 CC Steckerkonfigurationspins: zur Erkennung der Kabelorientierung und Umsetzung der USB-Power-Delivery-Spezifikation

Wie erreicht USB-C die Steckverbinderumkehrbarkeit? Die Pins sind rotationssymmetrisch. Die Stromversorgungspins VBUS  und GND passen immer. Durch Umdrehen des Steckverbinders wird das TX1-Paar mit TX2 verbunden, das RX1-Paar mit RX2 usw. Die zwei CC-Pins dienen der Steckverbinderorientierung beim Einstecken in die Buchse. Das Hostgerät passt die Pinbelegung der Buchse entsprechend an.

USB-C Alternate Mode

Alternate Mode reserviert einige physische Drähte des USB Typ-C-Kabels für die direkte Gerät-zu-Host-Übertragung von alternativen Datenprotokollen. Die vier Hochgeschwindigkeitswege, zwei Seitenbandpins (SBU) und – ausschließlich für Docks, abnehmbare Geräte und feste Kabelverbindungen – zwei USB 2.0 Pins und ein Konfigurationspin können für die Übertragung im Alternate Mode verwendet werden. Die Modi werden durch Vendor-Defined Messages (VDMs) durch die CC-Pins konfiguriert.

DisplayPort ist beispielsweise ein beliebter Schnittstellenstandard zur Verbindung einer Videoquelle mit einem Anzeigegerät wie einem Computermonitor. Das Kontrollorgan VESA und die USB-IF haben den „DisplayPort Alt Mode für USB Typ-C-Standard” ausgegeben, der die Verwendung von USB-C regelt. Der DP Alt Mode Standard erlaubt standardmäßigen USB Typ-C-Steckverbindern und Kabeln die Übertragung nativer DisplayPort-Signale durch die Umfunktionierung von bis zu vier SuperSpeed-Pins (2 TX/RX-Paare). Der sekundäre Typ-C Buspin kann außerdem für den DisplayPort AUX-Kanal verwendet werden, der für gewöhnlich von DisplayPort-Geräten verwendet wird, um nicht visuelle Daten wie Audio- oder Touch-Screeninformationen zu übertragen.

Die USB-C Kabelspezifikation

Der USB-C-Steckverbinder kann mit einem herkömmlichen Direktkabel verwendet werden. Eine eigenständige USB-C-Kabelspezifikation definiert ein aktives, elektronische markiertes Kabel mit einem Chip, der über eine ID-Funktion auf Basis des Konfigurationsdatenkanals und den VDMs der USB Power Delivery Spezifikation verfügt.

USB Typ-C-Geräte unterstützen Stromspannungen von 1,5 A und 3,0 A über 5 V Powerbus zusätzlich zu der Basisspannung von 900 mA. Die Geräte können die erhöhte USB-Spannung entweder durch den Konfigurationspfad leiten oder sie unterstützen die volle Power Delivery Spezifikation.

USB Systemdesign

Um ein effizientes, robustes und voll kompatibles USB Typ-C-Design wie in Abbildung 3 zu erreichen, sind mehrere Komponenten erforderlich. Einige der Bauteile sind:

Lastswitches: isolieren das System automatisch von fehlerhaften Lastquellen. Achten Sie auf zusätzliche Funktionen wie Unter-/Überspannungsschutz, Sperrstromschutz, Überhitzungsschutz und programmierbare Spannungsgrenzen.

USB PD PHY: wenn Ihr System der USB Power Delivery Spezifikation entspricht, ist eine Kombination aus Controller- und Protokollresponder erforderlich, um Linkbetrieb aufzubauen und Strom zu liefern.

US PD Mikrocontroller: Typ-C Funktionalität erfordert komplexe Entscheidungsfindung und somit einen Mikrocontroller und spezialisierte Firmware.

Hochleistungsswitches: bieten Multiplex oder Demultiplex-Signalfunktion zur Umleitung von Signalen zu einem oder mehreren Verbindungsports. Diese Funktion kann zur Unterstützung der Alternate Mode Funktionen mit einem Cross-Point-Switch kombiniert werden.

Signalwandler: regenerieren das USB-Signal, entfernen Jitter-Verzerrung, erweitern die Kanalübertragung und reduzieren die Bitfehlerrate (BER).

Schnittstellenschutz: bietet ESE-Schutz mit Gleichtaktfiltern, die dabei helfen, Interferenzen durch drahtlose Technologien wie GSM, LTE und WLAN zu eliminieren.

Abbildung 3: Systemlösung für USB Typ-C-Steckverbinder. (Quelle: NXP)

Partnerschaft zwischen Arrow und NXP

Arrow Electronics ist ein Gigant im Vertriebsbereich mit einem Umsatz von 22,8 Milliarden US-Dollar in 2014. Als Fortune-150-Unternehmen mit 17.000 Mitarbeitern und einem globalen Netzwerk mit mehr als 460 Standorten in 58 Ländern bringen wir Kunden weltweit Technologielösungen und bieten spezialisierten Service und Know-how während des gesamten Produktlebenszyklus.

Wir sind Experten in der Markteinführung von neuen Technologien – mit Sonderveranstaltungen, Technologieforen, Custom Boards und vielem mehr helfen wir unseren Kunden dabei, sich mit revolutionären Technologien wie USB-C vertraut zu machen. Aber wir gehen noch weiter und kombinieren Technologien verschiedener Hersteller, um Volllösungen zusammenzustellen, die Ihre Produkte schneller marktreif machen.

Als langjähriger Vorreiter bei USB-Systemen hat NXP eine Schlüsselrolle im Definitionsteam für USB-C gespielt und bietet die vollständigste Produktpalette und die umfassendsten Systemlösungen in diesem aufregenden neuen Markt an. NXP-Produkte für USB-C decken die gesamte Palette ab und umfassen ARM-basierte MCUs mit USB-PD-Firmware, Signalwechsler zur Verbesserung von Übertragungsabständen und Reduzierung von BER, N-Kanal Leistungsschalter, die ein System automatisch von fehlerhaften Quellen oder Ladungen isolieren und das neue PUSB3TB6, ein sehr kleines Schutzgerät für elektrostatische Entladung (ESD) das sechs Ultra-High-Speed Datenleitungen schützt.

Angesichts dieser Tiefe und Erfahrung macht es Sinn, dass Arrow und NXP sich zusammentun, um die Umstellung auf USB-C so schnell und schmerzlos wie möglich zu gestalten. Wir arbeiten noch am Feinschliff, aber schon bald können Sie sich auf einzigartige NXP-Arrow USB-C-Lösungen freuen.

Fazit

USB-C, USB 3.1 und USB PD sind gemeinsam die Zukunft des USB. Die innovativen Aspekte des Gesamtsystems – die umkehrbaren Steckverbinder, die erhöhte Geschwindigkeit und das neue PD-Format – eröffnen sicherlich neue Entwicklungsherausforderungen und neue Anforderungen an den Schutz von Signalen, um Leistung in allen Umgebungen zu ermöglichen.

Anders als bei anderen Standards, die viel versprachen und dann schnell auf dem Markt verdampften, ist die Frage bei USB-C nicht, ob es angenommen wird, sondern wie lange es bis dahin dauert. Neue Produkte befinden sich bereits in den Ladenregalen. Die Frage ist nur, wie lange es dauert, bis dies der Standard wird, der alle anderen ersetzt.