So erfüllen Sie Ihre Anforderungen an die Stromversorgung und Datenübertragung

June 9, 2016 David Haboud

 

Erfordern Ihre Designs ausnahmslos zu viele Bauteile, um sie in einem eleganten Produkt  unterzubringen? In unserem Streben, die Fähigkeiten unserer Geräte zu erweitern, wird es immer schwieriger, unsere Leiterplatten in einer überschaubaren Größe zu erstellen, Insbesondere wenn immer mehr Bauelemente hinzukommen. Der Trend zu immer kleineren Consumer-Produkten zwingt den Entwickler dazu, vorrangig auf eine möglichst gute Ausnutzung der Leiterplattenfläche zu achten, anstatt ihren Fokus auf die Funktionalität zu richten. Abhängig von den Anwendungen der Geräte und der Peripheriefunktionen ist die Industrie auf unterschiedliche Weise an die Aufgabe herangegangen, dem erhöhten Stromverbrauch und Datenbedarf Rechnung zu tragen. Wäre es nicht gut, wenn es eine vereinfachte, für alle geeignete Lösung gäbe?

 

Die Entwicklung

Obwohl USB Typ A und Typ B sowie andere proprietäre Kabelverbindungen mehr als ein Vierteljahrhundert lang unserem Datenübertragungsbedarf gerecht werden konnten, gelang es ihnen nicht, alle unsere Schnittstellenanforderungen zu erfüllen. Stattdessen griffen wir auf eine Vielzahl unterschiedlicher Kabelverbindungen zurück, um dedizierte Anforderungen in Sachen Stromversorgung, Displayausgabe und Datenübertragung Rechnung zu tragen. Diese Vorgehensweise findet man in allen Consumer-Produkten, und so wird die Umstellung auf einen neuen, universellen Standard einige Zeit dauern.

Zwar gibt es zahlreiche drahtlose Alternativen, doch sind diese im gegenwärtigen Status der Industrie noch nicht praktikabel. Die drahtlose Datenübertragung, Displayausgabe und Stromversorgung ist intermittierend und erfordert eine konstante Kommunikation zwischen den Geräten. Zweifellos wäre es hervorragend, wenn alle diese Funktionen drahtlos unterstützt werden könnten, doch die Perfektionierung dieser Verfahren wird noch Jahre dauern und weitere Entwicklungsarbeit erfordern. Gefragt ist deshalb eine Methode, die hohe Datenübertragungsraten, die Displayausgabe und die Stromversorgung unterstützt und dabei so einfach ist, dass sie von jedem Unternehmen bei der Entwicklung eingesetzt werden kann.

 

Die verschiedenen USB-Versionen

USB-Version

Maximale Übertragungsrate

Maximalwerte von Spannung und Strom

USB 1.1

12 MBit/s

2.5 V, 500 mA

USB 2.0

480 MBit/s

2.5 V, 1.8 A

USB 3.0

5 GBit/s

5 V, 1.8 A

USB 3.1

10 GBit/s

20 V, 5 A

 

The USB standard has progressed over the years through the implementation of versions, enabling each version with faster data transmission speeds. USB Type-A and Type-B have used these versions to upgrade themselves to better suit technological needs. However, USB Version 3.1 can’t reach its maximum potential with USB Type-A and USB Type-B connections.

 

Vereinfachte Konnektivität: USB Typ C

Der USB-Steckverbinder des Typs C erlaubt einerseits die vollständige Implementierung der USB-Version 3.1 und der USB Power Delivery-Spezifikation (PD) und bietet andererseits die Vorteile von Datenübertragung, Displayausgabe und Stromversorgung. Dieser Steckverbinder wird proprietäre USB-Steckverbinder überflüssig machen und die USB-Steckverbinder der Typen A und B nach und nach ersetzen. Mit Adaptern und Konvertern lässt sich die Abwärtskompatibilität zu älteren Ports (z. B. USB Typ A) gewährleisten. Künftige Typ-C-Kabel aber werden an beiden Enden Typ-C-Steckverbinder besitzen und damit ein omnidirektionales Design bieten.

Typ-C-Steckverbinder stellen eine Lösung dar, die einerseits ausreichend leistungsfähig für große Geräte (z. B. Laptops) ist, andererseits aber mit Maßen von ca. 8,4 x 2,6 mm hinreichend klein ist, um auch in portablen Geräten genutzt zu werden. Die Kabel können im Normalbetrieb eine Leistung von 15 W bereitstellen, sowie 5 A bei 20 V zur Versorgung von Geräten gemäß den aktuellen USB-PD-Spezifikationen. Darüber hinaus werden die Kabel mit der USB-Version 3.1 eine Übertragungsrate von 10 GBit/s unterstützen.

USB Type-C Connector

Steckverbinder USB Typ C

 

Der Steckverbinder USB Typ C ist so strukturiert, dass Updates auf künftige USB-Versionen und USB-PD-Spezifikationen möglich sind. Somit ist das Design zukunftssicher. Abgesehen davon ist der Typ-C-Steckverbinder für den Anschluss sowohl von Host- als auch von Peripheriegeräten konzipiert, sodass kein Interface des Typs A mehr benötigt wird. Die Pin-Belegung in jedem Steckverbinder ist überdies so ausgelegt, dass die Stecker in beiden Richtungen gesteckt werden können, ohne dass man auf die richtige Lage achten muss.

Mit den USB-Steckverbindern des Typs C können Geräte gleichzeitig über einen Anschluss Daten übertragen und mit Strom versorgt werden. Dies unterstützt externe Festplatten, Displays und alle anderen Geräte, die gemäß den PD-Spezifikationen arbeiten können. Schließlich unterstützt USB Typ C auch die bidirektionale Stromversorgung, sodass ein Host ein Peripheriegerät laden kann, oder falls nötig auch umgekehrt.

 

Risiko der Stromversorgung

USB Typ C Steckverbinder können die USB PD-Spezifikationen für eine exzellente Stromversorgung nutzen. Dennoch hat dieser Steckverbinder auch seine Tücken, denn die alte Weisheit, dass viel Leistung auch viel Verantwortung mit sich bringt, trifft hier ganz eindeutig zu. Von den vielen Kabeln, die produziert werden, um von dem neuen Markt für USB Typ C Steckverbinder zu profitieren, erfüllen nämlich nicht alle die PD-Anforderungen.

Es ist also wichtig, dass wir unsere Produkte für den universellen Einsatz und nicht nur für bestimmte Anwendungsfälle entwickeln. Einige Geräte mit USB Typ C Anschlüssen werden mit Kabeln ausgeliefert, die zwar mit dem betreffenden Gerät einwandfrei funktionieren, anderen Geräten aber schaden können. Natürlich kann es schwierig sein, beim Design nicht nur die Anforderungen des eigenen Geräts zu berücksichtigen, sondern auch alle anderen Systeme einzukalkulieren, mit denen das eigene Gerät möglicherweise interagieren wird. Die eigenen Produkte nachhaltig und mit Blick auf die Verbindungsmöglichkeiten zu entwerfen, ist tatsächlich eine große Verantwortung, die nicht auf die leichte Schulter genommen werden darf. Der eigenen Entwicklungsarbeit sollte deshalb unbedingt ein genaues Studium der USB-Spezifikationen vorausgehen.

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About the Author

David Haboud

David Haboud is a Technical Marketing Engineer at Altium. He studied electrical engineering with an emphasis in computer architecture and hardware/software design at the University of Southern California. David began his career as an embedded software engineer in the aerospace industry and has always strived to make it easier for hardware and software engineers to communicate. During his tenure as an embedded software engineer, he focused on firmware development and data acquisition for auxiliary power units. In his spare time, David hosts and performs in improvisational and stand-up comedy nights in San Diego, California.

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