Die USB-Schnittstelle ist heutzutage allgegenwärtig und weit verbreitet. Trotz ihrer hohen Verbreitung müssen Ingenieure einige wichtige technische Spezifikationen für ihren Betrieb berücksichtigen: den USB-Anschlussstandard bzw. die Bauform (Typ A, B, C, Mini-B usw.), die Datenübertragungsgeschwindigkeit (USB 3.0, USB 3.2, USB 4.0 usw.) und den USB-Stromversorgungsstandard (USB 2.0, USB PD 3.0, USB 3.1 usw.).
In diesem Artikel werden wir die USB-Schnittstelle erläutern, ihre Entwicklung kurz beleuchten und erklären, warum sie sich in der Europäischen Union und im Vereinigten Königreich zum Standard-Ladeanschluss für Unterhaltungselektronikgeräte entwickelt hat.
Die Ursprünge der Konnektivität in PCs:
Man mag es kaum glauben, aber USB gibt es bereits seit rund 26 Jahren und hat in dieser Zeit die Computer- und Unterhaltungselektronikbranche maßgeblich beeinflusst. Der USB-1.0-Standard entstand 1996 als Antwort auf den Bedarf, externe Peripheriegeräte an einen Computer anzuschließen. Seitdem hat sich diese Schnittstelle rasant verbreitet. Sie wird mittlerweile für den Anschluss und die Stromversorgung zahlreicher Geräte wie Mobiltelefone, Smartwatches, Fitness-Tracker und Überwachungskameras verwendet. Als einfache und praktische Schnittstelle war ihr Erfolg vorprogrammiert und sie verdrängte ältere und langsamere Verbindungsmethoden der 1990er-Jahre, wie die serielle RS-232-Schnittstelle und die parallelen Centronics-Schnittstellen. Heute bietet die USB-Schnittstelle weit mehr als ihre ursprüngliche Übertragungskapazität. Beispielsweise nutzt praktisch jeder Mobiltelefonbesitzer täglich die Lade- und Stromversorgungsfunktionen. Darüber hinaus haben sich die Datenübertragungsgeschwindigkeiten erheblich erhöht.
Die Evolution von USB:
Mit der Einführung von USB 1.0 wurde ein Anschluss mit einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit (1,5 Mbit/s) als bei anderen seriellen Schnittstellen jener Zeit eingeführt. Außerdem ermöglichte er das Anschließen und Trennen von Peripheriegeräten oder externen Speichermedien im laufenden Betrieb – etwas, das mit anderen Schnittstellen nicht möglich war. Neben der Definition des Softwareprotokolls legte USB 1.0 auch die ersten Standards für USB-Anschlüsse fest: Typ A und Typ B. Der Typ-A-Anschluss (der im Computer verwendet wird) ist auch heute noch gebräuchlich und das Design, das wir alle gedanklich mit dem Begriff USB verbinden. Typ B, ein quadratischer Anschluss, wird zwar immer noch verwendet, ist aber weniger verbreitet als Typ A (Abbildung 1).
USB gewann dank seiner einfachen Vier-Draht-Schnittstelle und der unkomplizierten Montage von Stecker und Kabel schnell Marktanteile. Zwei Jahre später, 1998, brachte das neue USB-1.1-Protokoll mit dem Full-Speed-Standard deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 12 Mbit/s. Die Abwärtskompatibilität mit USB 1.0 blieb erhalten, und Geräte, die dieses Protokoll nutzten, wechselten automatisch auf 1,5 Mbit/s.
Die Marktakzeptanz wuchs stetig, da Computer- und Peripheriegerätehersteller begannen, sich auf USB zu konzentrieren und die Unterstützung anderer Schnittstellen einzustellen. Dies wiederum veranlasste weitere Gerätehersteller, diesem Trend zu folgen und die Anzahl der Anwender weiter zu erhöhen.
Im Jahr 2000 führte das USB Implementers Forum (USB-IF) die USB 2.0 High-Speed-Softwarespezifikation ein, die die Geschwindigkeit auf 480 Mbit/s erhöhte. Diese Steigerung ermöglichte den Zugriff auf externe Speichermedien, von Festplatten bis hin zu USB-Sticks. Dieselbe Spezifikation erlaubte es USB auch, angeschlossene Geräte mit Strom zu versorgen (bis zu 0,5 A bei 5 V) und begründete damit die Nutzung von USB als Stromquelle. Bis dahin waren sowohl Typ-A- als auch Typ-B-Anschlüsse weit verbreitet, doch mit der zunehmenden Kompaktheit der Computerhardware begannen Mini-Anschlüsse, Typ-B zu ersetzen. Kurz nach 2007 kamen Mikro-Anschlüsse auf den Markt (Abbildung 2). Mini-Anschlüsse sind zwar noch an einigen älteren Geräten zu finden, Mikro-Anschlüsse haben sich jedoch schnell als Standard durchgesetzt. Mit der Weiterentwicklung der USB-Standards hat sich das USB-Softwareprotokoll zudem vom physischen Anschlussstandard entfernt.
2008 wurde das USB-3.0-Softwareprotokoll (später bekannt als USB 3.2 Gen 1x1) mit einer theoretischen Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 5 Gbit/s veröffentlicht. Diese exponentielle Geschwindigkeitssteigerung wurde unter anderem durch die Reduzierung der Leiteranzahl von vier auf acht ermöglicht, wobei die Abwärtskompatibilität zu USB 1.0 erhalten blieb. Die Stromversorgung wurde auf 900 mA erhöht und der Typ-C-Anschluss eingeführt (Abbildung 2).
USB 3.1 (später bekannt als USB 3.2 Gen 2x1) verdoppelte die Geschwindigkeit auf 10 Gbit/s. Kurz darauf wurde USB 3.2 (später bekannt als USB 3.2 Gen 2x2) eingeführt, das die Geschwindigkeit erneut auf 20 Gbit/s verdoppelte.
Abbildung 2: Die gesamte Bandbreite der USB-Anschlussformate (Abbildungen nicht maßstabsgetreu) (Quelle: CUI Devices).
Die USB-3.2-Spezifikation legte besonderen Wert auf den Typ-C-Anschluss, den ersten Anschluss, der sowohl nach oben als auch nach unten eingesteckt werden kann. Er zeichnet sich durch seine kompakte Bauform und abgerundete Ecken aus. Mit der Weiterentwicklung der USB-Standards haben sich auch die kompatiblen Geräte erweitert. Der Typ-C-Anschluss erweiterte die Anwendungsfälle und etablierte das Konzept, die Schnittstelle ausschließlich zum Laden und zur Stromversorgung von Geräten zu nutzen.
Auf dem Weg zu USB 4 und darüber hinaus:
Die USB-4.0-Spezifikation wurde 2019 eingeführt und verdoppelte die Geschwindigkeit auf 40 Gbit/s. Sie basiert auf dem Thunderbolt-3-Protokoll mit zwei Übertragungskanälen und erfordert einen USB-Typ-C-Anschluss. Darüber hinaus definierte USB 4.0 ein spezifisches Videoübertragungsverfahren und bot deutlich verbesserte Stromversorgungsfunktionen.
Die Standards Typ-C und USB 3.2 erweiterten ebenfalls die Stromversorgungsfunktionen mit einem Bereich von Nennausgangsspannungen bis zu 48 V DC und einem Strom von bis zu 5 A bzw. bis zu 240 W Leistung. Abbildung 3 zeigt die Stromversorgungsstandards, die sich unabhängig von, aber in Verbindung mit den USB-Softwareprotokollen entwickelt haben.
Abbildung 3: Die Entwicklung der USB-Stromversorgung (Quelle: CUI Devices).
Die kontinuierliche Weiterentwicklung der USB-Schnittstelle hat deren Verbreitung dank ihrer Fähigkeit, höhere Stromstärken zu übertragen, weiter beschleunigt. So gibt es beispielsweise mittlerweile USB-C-Anschlüsse, die ausschließlich zur Stromversorgung dienen.
Die zunehmende Beliebtheit des USB-C-Anschlusses fiel mit wachsender Unzufriedenheit der Verbraucher über die Vielzahl an Ladegeräten zusammen, die wir für unsere Geräte verwenden. Im Juni 2022 kündigte die Europäische Union eine vorläufige Vereinbarung zur Einführung einer einheitlichen Ladelösung für bestimmte elektronische Geräte an. Die überwiegende Mehrheit der EU-Abgeordneten stimmte für ein neues Gesetz, das vorschreibt, dass alle neuen tragbaren Geräte dasselbe Ladekabel verwenden müssen. Ab 2024 müssen alle neuen Mobiltelefone und Tablets über einen USB-C-Ladeanschluss verfügen, Laptops werden ab 2026 verpflichtend. Die britische Regierung hat die Einführung einer ähnlichen Gesetzgebung noch nicht erwogen, dürfte aber dem Beispiel der EU folgen.
Verwendung von USB Typ-C:
Bei der Auswahl eines USB-Typ-C-Anschlusses müssen die Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden. Wird er nur zur Stromversorgung oder auch zur Datenübertragung verwendet? Wie viel Platz steht auf der Platine zur Verfügung und wie beeinflusst dies die Position und Ausrichtung des Anschlusses?
Ein Beispiel für einen USB-4-Typ-C-Anschluss ist die UJ40-Serie von CUI Devices (Abbildung 4). Die UJ40-Serie unterstützt die Übertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s von USB 4 und ist für 5 A und 48 V DC ausgelegt. Sie ist für 10.000 Steckzyklen konzipiert. Diese SMD-Steckverbinder sind reflowgelötet, in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung erhältlich und erfüllen die Brandschutzklasse UL 94V-0. Der UJ40 ist bis 100 V AC spannungsfest, hat einen Isolationswiderstand von 100 MΩ und einen Kontaktwiderstand von 40 MΩ.
Abbildung 4: CUI Devices UJ40 (USB 4 Typ C)-Steckverbinder (Quelle: CUI Devices).
Für Anwendungen, die lediglich eine Stromversorgung benötigen, eignen sich die UJC-Typ-C-Steckverbinder von CUI Devices. Diese Modelle sind als Sechs- oder Acht-Pin-Varianten in horizontalen oder vertikalen SMD-Gehäusen erhältlich (Abbildung 5). Die Versorgungsspannung beträgt 20 V DC, die Strombelastbarkeit 3 oder 5 A.
Abbildung 5: UJC-Typ-C-Steckverbinder von CUI Devices für USB-Stromversorgungsanwendungen (Quelle: CUI Devices).
Autor: Mark Patricks, Mouser Electronics
Die Allgegenwart von USB:
USB begann als Verbindungsmedium für externe Computerperipheriegeräte und hat sich zur weltweit führenden Methode für kabelgebundene Datenübertragung sowie zum Stromversorgungsstandard für Unterhaltungselektronik entwickelt. Diese Schnittstelle blickt auf eine beeindruckende Geschichte zurück und bietet stetig steigende Übertragungsgeschwindigkeiten – ihre Zukunft ist also gesichert.
