Das Hauptziel der USB4-Entwicklung ist die Verdopplung der Datenübertragungsrate im Vergleich zu USB 3.2 (40 Gbit/s gegenüber den bisherigen 20 Gbit/s) und die Gewährleistung der Kompatibilität mit Intels Thunderbolt-Protokoll. USB4 verwendet ausschließlich den USB-Typ-C-Anschluss, den ovalen Anschluss mit dem zentralen Stift, der dafür bekannt ist, dass Kabel auch verkehrt herum eingesteckt werden können. Obwohl das Einstecken von Kabeln einfacher ist, muss die Ladetechnologie von USB4 nun USB PD unterstützen, was die Komplexität erhöht. Die Spezifikationen der vorherigen USB-Generation, die den Typ-C-Anschluss nutzte, boten die Option, PD zu aktivieren; USB4 schreibt es vor.
Für USB 4 ist eine Stromversorgung erforderlich.
Die PD-Spezifikation wurde überarbeitet und enthält nun neue Meldungen zur Erkennung und zum Wechsel in den USB-4-Modus. Die Stromversorgungsschemata bleiben jedoch unverändert. Sie nutzen einen 300-kHz-Bus mit einer einzigen Leitung auf einer der Konfigurationskanalleitungen (CC) der USB-Typ-C-Schnittstelle, damit Host und Gerät die zu übertragende Leistung und Datenübertragung erkennen und aushandeln können (Abb. 1). Die andere CC-Leitung dient als „VCONN“ und versorgt die elektronische Markierung (eine Identifikationsschaltung im USB-Kabel) mit Strom. Die Stromversorgung zwischen den USB-Anschlüssen erfolgt über einen separaten Satz von Leitungen im Stecker (mit der Bezeichnung „VBUS“; siehe Abb. 2). Wenn zwei PD-Geräte verbunden werden, erkennen sie sich über die CC-Leitung, kommunizieren ihre Stromversorgungskapazitäten (Spannungen und Leistungswerte bei jeder Spannung), bestimmen, welches Gerät die Stromversorgung übernimmt, verhandeln die zu übertragende Leistung und stellen diese dann über VBUS bereit. Dieses digitale 300-kHz-Signal dient auch dazu, zu erkennen, dass die USB-Verbindung USB4 unterstützt. Ohne diese Kommunikation ist die Implementierung von USB4 nicht möglich. USB4-Anschlüsse benötigen keine höhere Stromversorgung als mindestens 5 V/900 mA; sie müssen jedoch die PD-Kommunikation unterstützen, um als USB4 zu funktionieren.
Geschichte der Stromversorgung über den Universal Serial Bus:
Um die Ladeerfahrungen von Nutzern mit USB4 zu verstehen, ist es hilfreich, die Geschichte der Stromversorgung über den USB-Anschluss zu kennen (siehe Abb. 2). Der Universal Serial Bus war ursprünglich für die serielle Datenkommunikation mit einem maximalen Strom von 100 mA im Kabel vorgesehen. Die USB-2.0-Spezifikation beschränkte die Stromstärke auf 500 mA auf der VBUS-Leitung; dies reichte für die Stromversorgung einfacher Computerperipheriegeräte aus. Der USB-3.0-Standard erhöhte die Stromstärke auf 900 mA, doch da tragbare Geräte zunehmend einen einzigen Anschluss für Daten und Strom nutzten, war dies nicht mehr ausreichend.
Die USB-Komitees veröffentlichten die Spezifikationen für das Batterieladen (Battery Charging, BC), die 2010 in der BC1.2-Spezifikation gipfelten und 1,5 A (7,5 W) erlaubten; zu diesem Zeitpunkt entschieden sich viele Smartphone-Hersteller gegen die USB-Kompatibilität.
Dies führte zu einem proprietären Ladeprotokoll mit festen Spannungspegeln auf den D+- und D--Leitungen (USB-Datenleitungen): 2 V auf der einen und 2,7 V auf der anderen Leitung konnten eine Ladung von 10 W liefern. 2,7 V an beiden Datenleitungen konnten eine Ladeleistung von 12 W signalisieren; 3,3 V an jeder Leitung führten dazu, dass das Ladegerät 20 V lieferte (was bei versehentlicher Anwendung schädlich sein konnte). Diese Methoden waren nicht kompatibel, und die Ergebnisse waren unvorhersehbar. Außerdem standen die zur Bestimmung des Ladezustands verwendeten Datenleitungen nicht mehr für die Datenübertragung zur Verfügung. Ein Anschluss kann entweder Dateien übertragen oder schneller laden, aber nicht beides. Jeder, dessen Handy sich während des Ladevorgangs schon einmal entladen hat, weiß, dass dieser Anschluss wahrscheinlich eine Datenverbindung mit 500 mA gemäß den USB-2.0-Spezifikationen war.
Abbildung 2: USB-Energiesparrichtlinien im Zeitverlauf. Proprietäre Standards variierten je nach Hersteller, während neue USB-Spezifikationen in der Regel die Abwärtskompatibilität beibehielten.
Dieses Problem führte zur ersten PD-Spezifikation (Revision 1), die einen universellen Standard für das Laden mit alternativen Spannungen (über 5 V) über herkömmliche 4-polige USB-Kabel schuf. Um die Abwärtskompatibilität zu gewährleisten, musste ein Hello-Signal in die VBUS-Leitung integriert werden, was sich als kompliziert erwies. Daher wurde das Projekt mangels nennenswerter Verbreitung wieder verworfen. Das USB-IF würde es vorziehen, wenn diese Spezifikation in Vergessenheit geriete, und praktisch gesehen wäre das auch angebracht. Dieser Ansatz ist nicht mehr gültig und wird nicht mehr unterstützt.
Heute existieren PD-Versionen 2.0 und 3.0, die auch die Spezifikationen für programmierbare Netzteile (PPS) umfassen. Diese wurden parallel zum USB-Typ-C-Anschluss entwickelt und um zusätzliche Signalverbindungen erweitert. Die Unterschiede zwischen Version 2 und 3 liegen hauptsächlich in den Details der Gleichstromkommunikation. Beide sind abwärtskompatibel mit früheren USB-Implementierungen (mit Ausnahme von PD Revision 1), sodass die Benutzererfahrung identisch ist. Geräte verhandeln Lastprofile, potenziell in Schritten von bis zu 20 mV (bei PPS-Implementierungen). PD-fähige Geräte können (müssen aber nicht) innerhalb der Spezifikation eine Leistungsübertragung von bis zu 100 W (5 A bei 20 V) unterstützen. Proprietäre Verfahren zur Übermittlung alternativer Lastprofile über die Datenleitungen sind ausdrücklich verboten. USB Typ-C ermöglicht jedoch auch vereinfachtes Laden mit 1,5 A und 3 A bei 5 V (erkannt durch Widerstände am CC-Pin anstelle des digitalen Signals). USB-Typ-C-Anschlüsse benötigen keine Stromversorgung (Power Delivery, PD), PD hingegen benötigt einen Typ-C-Anschluss. Hier ändert sich dies bei USB 4 (siehe Abb. 3): USB 4 nutzt die PD-Kommunikation, um den USB-4-Modus zu aktivieren.
Abbildung 3: Zusammenhang zwischen USB-Daten und USB-Stromversorgung – USB 2.0 kann mit jedem USB-Kabel verwendet werden, mit oder ohne Stromversorgung über ein Typ-C-Kabel. USB 3.x benötigt ein Kabel mit zusätzlichen SuperSpeed-Leitungen, ebenfalls mit oder ohne Stromversorgung über ein Typ-C-Kabel. USB 4 ist nur über eine Typ-C-Verbindung mit Stromversorgungskommunikation möglich. Stromversorgung ist nur über eine Typ-C-Verbindung möglich, benötigt aber keine Daten.
Obwohl die neuen Geräte den neuen vereinfachten Spezifikationen folgen, rührt die Komplexität des USB-Ladens von all diesen alten Standards her, die alle noch in älteren Anschlüssen vorhanden sind, und ein neuer USB4-Anschluss kann in jeden dieser alten Anschlüsse gesteckt werden (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1: USB-Stromanschlüsse
Anwendungsfälle und Nutzererfahrungen:
Der Versuch, die Abwärtskompatibilität über fünf Generationen hinweg aufrechtzuerhalten, schafft eine komplexe Landschaft potenzieller Stromanschlüsse. Es bleibt unklar, was mit all den älteren USB-Anschlüssen und -Kabeln geschieht, und Nutzer fragen sich möglicherweise weiterhin: „Wird es laden?“
Glücklicherweise lässt sich, abgesehen von den proprietären Spezifikationen, der Großteil dieser Geschichte auf einige wenige mögliche Benutzererfahrungen reduzieren. Zwar werden alle Anwendungen geladen, aber möglicherweise nicht alle schnell.
Im Kontext von USB4 lassen sich im Wesentlichen vier Anwendungsfälle unterscheiden:
1. Ein herkömmlicher Ladeanschluss wird über ein Adapterkabel mit einem USB4-Typ-C-Gerät verbunden.
2. Ein USB4-Typ-C-Ladegerät wird über ein Adapterkabel mit einem herkömmlichen Anschluss verbunden.
3. Ein USB4-Typ-C-Anschluss wird über ein Gleichstromkabel mit einem Nicht-USB4-Typ-C-Anschluss verbunden, wobei ein Widerstandssplitter in die Gleichstromleitung geschaltet wird.
4. Zwei Typ-C-Anschlüsse werden über ein Gleichstromkabel verbunden und kommunizieren über die Gleichstromleitungen; einer oder beide können USB4-Geräte sein.
Bezüglich der USB-Standards überträgt der Apple 8-Pin Lightning-Anschluss dieselben Signale wie ein älteres USB 3.x-Kabel. USB4-Anschlüsse, die über USB-C-auf-Lightning-Adapterkabel verbunden sind, verhalten sich hinsichtlich der Stromversorgung ähnlich wie USB-C-auf-Micro-B- oder USB-C-auf-USB-A-Kabel. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der zu erwartenden Ladevorgänge in den einzelnen Anwendungsfällen:
Ein älterer Ladeanschluss, der über ein Adapterkabel mit einem USB4-Gerät verbunden ist,
kann beispielsweise Typ-A oder Typ-B sein. Diese Anschlüsse wurden möglicherweise vor der Einführung des Typ-C-Standards entwickelt (siehe Abbildung 1). Für diese Anschlüsse gab und gibt es keine Vorschrift, ein bestimmtes Schnellladeverfahren zu implementieren. Ein USB-2.0-Anschluss lädt standardmäßig mit 500 mA, ein USB-3.x-Anschluss mit 900 mA. Die gute Nachricht: Die meisten neueren USB-Anschlüsse unterstützen BC1.2 und liefern 7,5 W. Unabhängig vom verwendeten Adapterkabel darf das an den älteren Ladeanschluss angeschlossene USB4- oder Typ-C-Gerät nicht mehr als 7,5 W Leistung aufnehmen, ohne gegen die USB-Spezifikationen zu verstoßen.
USB4-Ladeanschluss über Adapterkabel an ältere Geräte angeschlossen:
Beim Anschluss eines älteren Geräts an einen USB4-Ladeanschluss können verschiedene Probleme auftreten. Der USB4-Anschluss liefert möglicherweise 1,5 A gemäß BC1.2-Standard, während das Kabel 7,5 W überträgt. Ist der USB4-Anschluss nicht für den zusätzlichen Leistungsbedarf von BC1.2 konfiguriert, liefert er standardmäßig 500 mA für eine USB-2.0-Datenverbindung bzw. 900 mA für eine USB-3.x-Datenverbindung. Dies kann für Benutzer ärgerlich sein, da der modernere USB-Anschluss in Verbindung mit Adapterkabeln zu langsameren Ladezeiten führen kann.
USB4 auf Nicht-USB4 Typ-C mit Spannungsteilern:
Nutzt der Stromanbieter oder -verbraucher die Spannungsteiler-Methode für Typ-C, um die Leistungsfähigkeit zu signalisieren, bestimmt dies die Stromübertragung. Das USB4-Gerät kann dann nicht über die Gleichstromleitungen kommunizieren, erkennt aber weiterhin das Zubehör, die Beziehung zwischen Anbieter und Verbraucher sowie die Strombegrenzung (1,5 A oder 3 A) mithilfe von Stromquellen oder Widerständen, die an die Gleichstromleitungen angeschlossen sind. Die Busspannung bleibt bei 5 V, und das Ladegerät kann bis zu 7,5 W oder 15 W aufnehmen. Da das Gerät erkennt, dass es sich nicht im PD-Modus befindet, kann es dies für eine eindeutige Benutzererfahrung anzeigen.
USB-C zu USB-C mit PD-Kommunikation:
Dies ist potenziell die leistungsstärkste USB4-Verbindung hinsichtlich der Stromübertragung, die tatsächlichen Ergebnisse können jedoch variieren. Die beiden angeschlossenen Geräte vereinbaren eine Stromübertragung basierend auf ihren jeweiligen Leistungsmerkmalen (bis zu 20 V und 5 A). Teil dieser Vereinbarung ist die Rolle des Stromlieferanten oder -verbrauchers. Es ist möglich, zwei Stromverbraucher anzuschließen, die vereinbaren, keinen Strom zu übertragen (dies ist ein zulässiger Anwendungsfall für die Datenübertragung zwischen tragbaren Geräten). Stromlieferanschlüsse sind oft mit einem Batteriesymbol gekennzeichnet, sodass Benutzer in vielen Fällen erkennen, welche Anschlüsse an einer Dockingstation oder einem Laptop zur Stromversorgung konfiguriert sind. In diesem Fall muss der Stromlieferanschluss mindestens 1,5 A bei 5 V (7,5 W, entspricht BC1.2) liefern können, um das USB-IF-zertifizierte Ladesymbol verwenden zu dürfen. Höhere Stromstärken sind selbst an einem mit einem Ladesymbol gekennzeichneten USB-C-Anschluss nicht garantiert. Da der Leistungsvertrag eine beliebige Leistung zwischen 7,5 W und 100 W umfassen kann, weiß der Nutzer nur dann, was vor sich geht, wenn eines der Geräte den Vertrag meldet (und damit den Leistungsstand oder eine Schnellladeverbindung anzeigt). Dieser Anwendungsfall birgt zwar das Potenzial für unvorhersehbare und frustrierende Nutzererfahrungen, kann aber mit einer guten Berichterstattung und benutzerfreundlichen Oberflächen auch eine optimale Nutzererfahrung bieten.
Zusammenfassend lässt
sich sagen, dass die Einführung von USB4 die Bandbreite und die Leistungsfähigkeit von USB-Anwendungen, die diesen Standard nutzen können, deutlich erhöht. USB 2.0 und USB 3.x werden jedoch weiterhin für Anwendungen eingesetzt, die mit geringeren Datenübertragungsraten auskommen. Der Stromverbrauch wird zwar steigen, aber mit einem durchdachten Anwendungsdesign muss dies nicht zwangsläufig zu einer schlechteren Benutzererfahrung führen.
Autor: Fionn Sheerin, Senior Product Marketing Engineer, Power and Analog Interfaces Division, Microchip Technology
