L'interface USB est aujourd'hui omniprésente et largement répandue. Malgré cette omniprésence, les ingénieurs doivent prendre en compte certaines spécifications techniques essentielles à son fonctionnement : la norme du connecteur USB (ou format physique : type A, B, C, mini-B, etc.), la vitesse de transfert des données (USB 3.0, USB 3.2, USB 4.0, etc.) et la norme d'alimentation USB (USB 2.0, USB PD 3.0, USB 3.1, etc.).
Cet article présente l'interface USB, retrace brièvement son évolution et explique pourquoi elle est devenue la norme pour la charge des appareils électroniques grand public dans l'Union européenne et au Royaume-Uni.
Les origines de la connectivité dans les ordinateurs personnels :
aussi surprenant que cela puisse paraître, l’USB existe depuis environ 26 ans et, durant cette période, a profondément marqué l’industrie informatique et électronique grand public. La norme USB 1.0 est apparue en 1996 pour répondre au besoin de connecter des périphériques externes à un ordinateur. Depuis, l’adoption de cette interface s’est rapidement accélérée. Son utilisation s’est étendue à la connexion et à l’alimentation de nombreux appareils, tels que les téléphones portables, les montres connectées, les appareils de fitness et les caméras de sécurité domestiques. Simple et pratique, son succès était assuré et elle a supplanté d’autres méthodes de connectivité plus anciennes et plus lentes utilisées dans les années 1990, comme le port série RS-232 et les ports parallèles Centronics. Aujourd’hui, l’interface USB offre bien plus que sa capacité de transfert initiale. Par exemple, pratiquement tous les possesseurs de téléphones portables utilisent quotidiennement ses fonctions de charge et d’alimentation. De plus, les vitesses de transfert de données ont considérablement augmenté.
L'évolution de l'USB :
Le lancement de l'USB 1.0 a introduit un connecteur offrant une vitesse de transfert plus rapide (1,5 Mbit/s) que les autres interfaces série de l'époque. Il a également permis de connecter/déconnecter un périphérique ou un périphérique de stockage externe sans éteindre l'ordinateur, une fonctionnalité impossible avec les autres interfaces. Outre la définition du protocole logiciel, l'USB 1.0 a également spécifié les premières normes pour les connecteurs USB : les types A et B. Le connecteur de type A (celui utilisé comme connecteur dans un ordinateur) est toujours utilisé aujourd'hui et correspond à la forme que l'on associe généralement au terme « USB ». Le type B, un connecteur carré, est toujours utilisé, bien que moins répandu que le type A (Image 1).
L'USB a rapidement conquis des parts de marché grâce à son interface simple à quatre fils et à la facilité d'assemblage du connecteur et du câble. Deux ans plus tard, en 1998, le nouveau protocole USB 1.1 a inauguré des vitesses de transfert bien plus rapides, jusqu'à 12 Mbit/s, avec la norme Full Speed. La rétrocompatibilité avec l'USB 1.0 a été maintenue, et les périphériques utilisant ce protocole sont automatiquement repassés à 1,5 Mbit/s.
L'adoption par le marché a continué de croître à mesure que les fabricants d'ordinateurs et de périphériques se concentraient sur l'USB et abandonnaient la prise en charge d'autres interfaces. Ceci a incité d'autres fabricants d'équipements à suivre le mouvement, augmentant ainsi le nombre d'utilisateurs de cette interface.
En 2000, l'USB Implementers Forum (USB-IF) a introduit la spécification logicielle USB 2.0 High-Speed, portant la vitesse à 480 Mbit/s. Cette augmentation a permis d'accéder au stockage externe, des disques durs aux clés USB. Cette même spécification a également autorisé l'alimentation des périphériques connectés via USB (jusqu'à 0,5 A à 5 V), inaugurant ainsi l'utilisation de l'USB comme source d'alimentation. Jusqu'alors, les connecteurs de type A et de type B étaient largement utilisés, mais avec la miniaturisation du matériel informatique, les mini-connecteurs ont commencé à remplacer les connecteurs de type B. Peu après 2007, les micro-connecteurs ont fait leur apparition (Figure 2). On trouve encore des mini-connecteurs sur certains appareils plus anciens, mais les micro-connecteurs se sont rapidement imposés comme la norme. De plus, avec l'évolution des normes USB, le protocole logiciel USB a divergé de la norme physique du connecteur.
En 2008, le protocole logiciel USB 3.0 (devenu par la suite USB 3.2 Gen 1x1) a été lancé, offrant une vitesse de transfert théorique allant jusqu'à 5 Gbit/s. Cette augmentation logarithmique de la vitesse a été rendue possible en partie par la réduction du nombre de fils de quatre à huit, tout en conservant la rétrocompatibilité avec l'USB 1.0. L'alimentation a été portée à 900 mA et le connecteur USB-C a été introduit (Figure 2).
L'USB 3.1 (devenu ensuite USB 3.2 Gen 2x1) a doublé la vitesse de transfert à 10 Gbit/s. Peu après, l'USB 3.2 (devenu ensuite USB 3.2 Gen 2x2) a été introduit, doublant à nouveau la vitesse à 20 Gbit/s.
Image 2 : Gamme complète des formats de connecteurs USB (images non à l'échelle) (source : CUI Devices).
La spécification USB 3.2 mettait également l'accent sur le connecteur Type-C, le premier connecteur réversible. Il s'agit d'un format compact aux angles arrondis. L'évolution des normes USB a permis d'élargir la gamme des appareils compatibles. Le connecteur Type-C a multiplié les cas d'utilisation et a imposé l'utilisation de cette interface exclusivement pour la charge et l'alimentation des appareils.
Vers l'USB 4 et au-delà :
La spécification USB 4.0, introduite en 2019, a doublé la vitesse de transfert à 40 Gbit/s. Basée sur le protocole Thunderbolt 3, elle dispose de deux canaux de transmission et requiert l'utilisation d'un connecteur USB Type-C. De plus, l'USB 4.0 a défini une méthode de transfert vidéo spécifique et a considérablement amélioré l'alimentation électrique.
Les normes Type-C et USB 3.2 ont également étendu les capacités d'alimentation, avec une plage de tensions de sortie nominales allant jusqu'à 48 V CC et un courant jusqu'à 5 A, soit une puissance maximale de 240 W. La figure 3 illustre l'évolution des normes d'alimentation, qui ont évolué indépendamment des protocoles logiciels USB, mais en parallèle.
Figure 3 : Évolution de l'alimentation USB (source : CUI Devices).
L'évolution constante de l'interface USB a encore accéléré son adoption, grâce à sa capacité à fournir des niveaux de puissance plus élevés. Par exemple, il existe désormais des connecteurs USB-C dédiés exclusivement à l'alimentation.
La popularité croissante du connecteur USB-C a coïncidé avec une frustration grandissante des consommateurs face à la multitude de chargeurs utilisés pour leurs appareils. En juin 2022, l'Union européenne a annoncé un accord provisoire visant à établir une solution de charge unique pour certains appareils électroniques. La grande majorité des eurodéputés a voté en faveur d'une nouvelle loi imposant l'utilisation du même câble de charge pour tous les nouveaux appareils portables. À partir de 2024, tous les nouveaux téléphones portables et tablettes devront être équipés d'un port de charge USB-C, et les ordinateurs portables deviendront obligatoires à partir de 2026. Le gouvernement britannique n'a pas encore envisagé de mettre en œuvre une législation similaire, mais il est probable qu'il suive l'exemple de l'UE.
Utilisation de l'USB Type-C :
Le choix d'un connecteur USB Type-C doit tenir compte des exigences de l'application. Sera-t-il utilisé uniquement pour l'alimentation ou également pour le transfert de données ? De quel espace dispose la carte, et comment cela influencera-t-il l'emplacement et l'orientation du connecteur ?
La série UJ40 de CUI Devices (Figure 4) est un exemple de connecteur USB 4 Type-C. Elle prend en charge la vitesse de transfert de 40 Gbit/s de l'USB 4 et est conçue pour une intensité de 5 A et une tension d'alimentation de 48 V CC. Elle est conçue pour 10 000 cycles. Ces connecteurs à montage en surface sont soudés par refusion, disponibles en orientation verticale ou horizontale et bénéficient d'un indice d'inflammabilité UL 94V-0. L'UJ40 supporte des tensions de 100 V CA, présente une résistance d'isolement de 100 MΩ et une résistance de contact de 40 mΩ.
Image 4 : Connecteurs UJ40 (USB 4 Type-C) de CUI Devices (source : CUI Devices).
Pour les applications nécessitant uniquement une alimentation, les connecteurs UJC Type C de CUI Devices peuvent être utilisés. Ces modèles à six ou huit broches sont disponibles en boîtier CMS horizontal ou vertical (Figure 5). La tension d'alimentation est de 20 V CC et l'intensité nominale peut être de 3 ou 5 A.
Figure 5 : Connecteurs UJC Type C de CUI Devices pour applications d'alimentation USB (source : CUI Devices).
Auteur : Mark Patricks, Mouser Electronics
L'omniprésence de l'USB :
initialement conçu comme un moyen de connexion pour les périphériques informatiques externes, l'USB est devenu la méthode dominante mondiale de transfert de données filaire, ainsi que la norme d'alimentation pour l'électronique grand public. Cette interface bénéficie d'une histoire remarquable et de vitesses de transfert en constante augmentation, ce qui lui assure un avenir prometteur.
