Universal Serial Bus USB-C: Kombinierte Strom- und Datenübertragung ist die Zukunft

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USB-C vereinheitlicht Geräte-Steckverbinder, wovon vor allem der Endnutzer profitiert. Für den Entwickler ist es jedoch schwieriger geworden. Spezielle Chips helfen dabei, den Aufwand für diskrete Schutzbeschaltungen zu reduzieren.

Mit der steigenden Verbreitung tragbarer Elektronik in der Industrie und im Konsumbereich ist auch die Zahl der Steckverbinder gestiegen. Dadurch entstanden mehrere USB-Standards in Kombination mit proprietären Steckverbindern der Hersteller, die alle ähnliche Funktionen erfüllten, aber nicht miteinander kompatibel waren. Im Hintergrund gab es Bemühungen der Europäischen Union sowie einiger Branchenführer, zu einer einzigen einheitlichen Lösung überzugehen, um dieses Problem zu lösen, die Erfahrung der Nutzer zu verbessern sowie Kosten und Abfall zu reduzieren.

Viele sind der Meinung, dass USB-C Universal Serial Bus Typ C) die erste umfassende Lösung für Geräte-Steckverbinder ist – und zwar ganz gleich, ob es um Handys, Tablets, Notebooks, Unterhaltungselektronik, Lautsprecher oder Zahnbürsten geht. USB-C ist die ideale Lösung für alle Designs, die eine Verbindung zur Datenübertragung, eine Normal- oder Schnellladung oder alternative Modi wie Audio- und Videoausgabe erfordern.

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Doch während der Endnutzer vom komplizierten Gewirr unterschiedlicher Kabel und Stecker befreit wurde, hat dies den Design-Prozess etwas komplexer gemacht. Für Entwickler, die bereits mit USB-C vertraut sind, und solche, die auf den Standard umsteigen, ist es entscheidend, dass sie Zugang zu einer breiten Palette von Lösungen haben, die den Entwicklungsprozess vereinfachen und die Systemintegration beschleunigen und gleichzeitig die Anforderungen an die Stromversorgung, die Datenraten und die alternativen Modi ihrer spezifischen Designs abdecken.

Vereinheitlichung von Steckverbindern

Da elektronische Geräte immer kleiner und leistungsfähiger wurden, waren mehr Leistung (zum schnelleren Laden) und ein höherer Datendurchsatz notwendig. Dies veranlasste das USB Implementers Forum, den USB-C-Standard zu schaffen, der diese Anforderungen für aktuelle Geräte erfüllt.

USB-C bezeichnet das mechanische Design des Steckverbinders, wobei die Datenkommunikation bereits in den Standards USB 3.x und USB 4.0 sowie in Protokollen wie Thunderbolt festgelegt ist. Der USB-C-Steckverbinder ist 60 % kleiner als frühere USB-A-Versionen; trotz dieser kleineren Bauform bietet er mehr Leiter sowie höhere Spannungs- und Nennstromwerte sowie eine verbesserte Bandbreite.

Mit USB-C wurde ein symmetrisches Design eingeführt, das im Gegensatz zu früheren USB-Generationen in beiden Orientierungen einen korrekten Anschluss gewährleistet und damit verpolungssicher ist. Dadurch werden Beschädigungen durch unsachgemäßes Einstecken vermieden. Zudem wurden die Steckverbinder mit bis zu 10.000 Steckvorgängen geprüft, was eine deutlich höhere Lebensdauer im Vergleich zu einem USB-A-Steckverbinder bedeutet. Dank dieser Langlebigkeit können diese Steckverbinder länger verwendet werden, wodurch die Anzahl der auf Mülldeponien entsorgten Kabel drastisch reduziert wird.

USB-C Power Delivery (PD) und alternative Modi

USB Power Delivery (USB PD) sorgt für eine weitere Ergänzung der USB-Schnittstelle und ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Strom und Daten über das gleiche Kabel. Wie andere Standards hat sich auch USB PD im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Im Jahr 2021 wurde die Version 3.1 angekündigt, mit der die verfügbare Leistung von 100 auf 240 W erhöht wurde [1]. Gleichzeitig wurden neue Spannungen von 28; 36 und 48 V eingeführt zusätzlich zu den 5; 9; 15 und 20 V, die in früheren Versionen verfügbar waren.

Eine weitere wichtige Änderung bei dieser Version war die bidirektionale Stromübertragung, sodass Energie in einem USB-System gemeinsam genutzt werden kann, um kurzfristige Bedarfsspitzen zu decken. So kann beispielsweise ein Gerät, das von einem USB-Hub mit Strom versorgt wird, Strom an den Hub zurückgeben, wenn eine Festplatte beim Hochfahren viel Strom zieht.

Durch diese höhere Leistung können mehr Geräte die Vorteile von USB PD nutzen, einschließlich großer Laptops mit einer Leistungsaufnahme von mehr als 100 W. Ein Monitor mit Netzanschluss kann nun den Laptop mit Strom versorgen und gleichzeitig Videodaten über dasselbe USB-Kabel empfangen.

USB-C ist nicht nur auf Daten beschränkt, die mit dem USB-Protokoll konform sind. Mit dem USB-C-Alt-Mode können auch andere Protokolle, einschließlich DisplayPort, über eine USB-C Verbindung übertragen werden. Dadurch können Videoquellen (z. B. Computer, Blu-ray-Disk-Player) an geeignete Displays, wie Fernseher, Monitore und Projektoren, angeschlossen werden. Ebenso lässt sich die Thunderbolt-Schnittstelle mit dem Alt-Modus über eine USB-Schnittstelle betreiben.

Nicht alle USB-C-Anschlüsse bieten die Funktion USB-C DisplayPort, da der Steckverbinder identisch ist und die Buchse nicht als solche gekennzeichnet werden muss. Den Unterschied macht der Chipsatz, der in dem/den Gerät(en) verwendet wird. Daher ist die Überprüfung der technischen Daten die einzige Möglichkeit, um den Funktionsumfang sicherzustellen.

USB-C ist eine sehr vielseitige Schnittstelle, die mit hohen Datenraten betrieben werden kann. Der Steckverbinder kann außerdem in beiden Richtungen angeschlossen werden, bietet eine Übertragungsleistung von bis zu 240 W und kann als Host für andere Hochgeschwindigkeitsprotokolle dienen. Dies bringt zwar große Vorteile für den Nutzer mit sich, stellt die Entwickler aber auch vor einige Herausforderungen.

Aufgrund des kleineren Steckverbinders kann es zu Problemen bei der Gehäuseausführung kommen, und das Rastermaß von 0,5 mm erhöht das Risiko von Kurzschlüssen im Vergleich zum Rastermaß von 2,5 mm bei USB-Steckverbindern vom Typ A. Darüber hinaus können Benutzer durch die weit verbreitete Verwendung einer einzigen physischen Schnittstelle zwar unzählige Geräte mit unterschiedlicher Hardware, Software und Systemspannung miteinander verbinden, aber auch Verbindungen zu falschen Netzteilen herstellen.

Entwickler meistern diese Herausforderungen, indem sie verschiedene diskrete Schaltungen zum Schutz der Anschlüsse kombinieren. Diese Methode ist jedoch zeitaufwändig und erhöht den Platzbedarf auf dem Board sowie die Komplexität des Systems.

Die USB-C Chips

Texas Instruments (TI) bietet ein umfassendes Produktspektrum für USB Typ-C an, das zusätzliche Funktionen wie USB PD und Alt Mode abdeckt. Dank der zahlreichen Optionen und verfügbaren Bauteiltypen mit hohem Integrationsgrad können Entwickler schnell und einfach Produkte mit hohem Funktionsumfang implementieren, die den neuesten USB-Standards entsprechen.

Der USB Typ-C & PD Controller TPS25750 bietet vollständig verwaltete Strompfade mit robustem Schutz für eine umfassende USB-C PD-Lösung. Zu den Schutzfunktionen zählen Rückstrom-, Überspannungs-, Unterspannungs-, Einschaltstrom- und Anstiegsrate-Steuerung. Die CC-Pins sind zum Schutz vor nicht konformen Bauteilen bis zu 26 V tolerant.

Der hochintegrierte TPS25750 enthält außerdem eine Schaltung zur Steuerung externer Ladegeräte-ICs über I2C und vereinfacht so den Entwicklungsprozess. Da es sich um eine völlig eigenständige Lösung handelt, ist weder ein externer Mikrocontroller noch eine Firmware-Entwicklung erforderlich, um eine voll funktionsfähige USB-C-Lösung zu implementieren.

Für anspruchsvollere Applikationen bietet der Dual Port USB-C & PD Controller TPS65994AE beim Anschluss von Kabeln eine Erkennung von Kabelsteckern und -ausrichtung für zwei USB Typ-C-Anschlüsse. Das Bauteil unterstützt auch USB DisplayPort über Alt Mode, d. h. wenn die Erkennung des Kabels und die Aushandlung des USB PD abgeschlossen sind, stellt der Controller den Strompfad bereit und konfiguriert die Alt Mode-Einstellungen für externe Multiplexer.

Der TPS65994 bietet zwei 5 V, 3 A, 29 mΩ Sourcing-Schalter mit einstellbarer Strombegrenzung. Für Applikationen mit höheren Leistungsanforderungen enthält der USB Typ-C- & PD-Controller TPS65988DK zwei bidirektionale 5 V–20 V, 5 A-Schalter mit Strombegrenzung auf bis zu 10 A.

Für alle USB-C-PD-Lösungen bietet die webbasierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) grundlegende Informationen zu den Anforderungen der Applikationen anhand von übersichtlichen Blockdiagrammen und einfachen Multiple-Choice-Fragen. Auf dieser Basis erstellt die GUI ein Konfigurations-Image für die jeweilige Applikation und reduziert so die Komplexität, die häufig mit alternativen USB-PD-Lösungen verbunden ist.

Das Angebot der USB-C-Lösungen umfasst auch Peripherie-Bauteile wie das PD- und Lade-Evaluierungsmodul (EVM) USB-PD-CHG-EVM-01. Dieses wird zur Evaluierung der Bauteile TPS25750 und BQ25792 verwendet. Der BQ25792 ist ein integrierter Auf-/Abwärtswandler für die elektrische Ladung von 1- bis 4-zelligen Li-Ionen- und Li-Polymer-Batterien mit einem Eingang von 3,6 V bis 24 V.

Viele andere Bauteile aus diesem Produktbereich sind auch für die Entwicklung von USB-C-Applikationen hilfreich, wie z. B. das TVS2200 Flat-Clamp-Überspannungsschutzgerät, das zur Unterdrückung von transienten Stößen auf den USB-Leitungen eingesetzt wird.

Fazit: Die USB-Technologie hat sich erheblich weiterentwickelt und bietet mit dem neuesten USB Typ-C eine einfache, einheitliche Verbindung mit einem erheblichen zusätzlichen Funktionsumfang, einschließlich PD und Alt Mode. Infolge der technischen Anforderungen und der EU-Gesetzgebung entwickelt sich USB-C zum De-facto-Standard für die Verbindungs- und Stromversorgungsfähigkeit in einer Mehrzahl von Verbraucher- und Industrieapplikationen.

Texas Instruments bietet eine umfassende Produktreihe von hochintegrierten Controllern mit Merkmalen und Funktionen, die den Anforderungen der anspruchsvollsten Applikationen gerecht werden, sowie Peripherie-Bauteile für die Steuerung von Batterien und die Unterdrückung von Spannungsspitzen. Ganz gleich, ob Sie ein erfahrener USB-Entwickler sind oder gerade erst in diesen Bereich einsteigen: Das Support-Ökosystem von TI unterstützt Sie bei einem reibungslosen Entwicklungsprozess. (kr)

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* Mark Patrick ist Director of Technical Content für EMEA bei Mouser Electronics.

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