L'objectif principal du développement de l'USB4 est de doubler le débit de transfert de données par rapport à l'USB 3.2 (40 Gbit/s contre 20 Gbit/s auparavant) et d'assurer la compatibilité avec le protocole Thunderbolt d'Intel. L'USB4 utilisera exclusivement le port USB Type-C, ce port ovale doté d'une lame centrale, réputé pour accepter les câbles même insérés à l'envers. Si l'insertion des câbles est simplifiée, la technologie de charge des ports USB4 doit désormais intégrer l'USB PD, ce qui complexifie le système. Alors que la génération précédente d'USB, utilisant le port Type-C, proposait une option pour activer le PD, l'USB4 l'impose.
L'alimentation est requise en USB4.
La spécification PD a été révisée afin d'inclure de nouveaux messages pour la découverte et la transition vers le mode USB4, mais les schémas d'alimentation restent inchangés. Ils utilisent un bus monofilaire de 300 kHz sur l'une des lignes du canal de configuration (CC) de l'interface USB Type-C pour que l'hôte et le périphérique se découvrent et négocient l'alimentation et les données à transférer (Fig. 1). L'autre ligne CC joue le rôle de « VCONN », une alimentation dédiée au marqueur électronique (un circuit d'identification intégré au câble USB). L'alimentation fournie entre les ports USB est transférée par un ensemble de fils distincts à l'intérieur du connecteur (étiqueté « VBUS » ; voir Fig. 2). Lorsque deux périphériques PD se connectent, ils utilisent le fil CC pour se découvrir mutuellement, communiquer leurs capacités d'alimentation (tensions et puissances disponibles pour chaque tension), déterminer quel périphérique doit être la source ou le récepteur d'alimentation, négocier la puissance à fournir, puis la fournir sur VBUS. Ce signal numérique de 300 kHz sert également à identifier la compatibilité USB 4.0 ; par conséquent, la mise en œuvre de l’USB 4.0 est impossible sans cette communication. Les ports USB 4.0 ne nécessitent aucune alimentation supérieure à 5 V/900 mA ; toutefois, ils doivent prendre en charge la communication PD pour fonctionner en USB 4.0.
Historique de l'alimentation sur le bus USB :
Pour comprendre l'expérience de charge des utilisateurs sur USB4, il est utile de connaître l'historique de l'alimentation via le connecteur USB (voir Fig. 2). Le bus USB était initialement conçu pour la communication de données série, avec un courant maximal de 100 mA sur le câble. La spécification USB 2.0 était limitée à 500 mA sur la ligne VBUS ; cela suffisait pour alimenter les périphériques informatiques de base. La norme USB 3.0 a augmenté la limite de courant à 900 mA, mais avec la convergence des appareils portables vers un connecteur unique pour les données et l'alimentation, cette limite s'est avérée insuffisante.
Les comités USB ont publié les spécifications de charge de batterie (BC), qui ont abouti à la spécification BC1.2 en 2010, autorisant 1,5 A (7,5 W) ; à cette époque, de nombreux fabricants de smartphones ont refusé la compatibilité USB.
Cela a conduit à un protocole de charge propriétaire utilisant des niveaux de tension fixes sur les lignes D+ et D- (lignes de données USB) : 2 V sur une ligne et 2,7 V sur l'autre permettaient de fournir une charge de 10 W. Une tension de 2,7 V sur les deux lignes de données pouvait indiquer une charge de 12 W ; 3,3 V sur chaque ligne entraînaient une décharge de 20 V (potentiellement dangereuse en cas d’application accidentelle). Ces méthodes n’étaient pas compatibles et les résultats étaient imprévisibles. De plus, les lignes de données utilisées pour déterminer les niveaux de charge n’étaient plus disponibles pour le transfert de données. Un port peut transférer des fichiers ou accélérer la charge, mais pas les deux. Quiconque a déjà vu son téléphone s’éteindre en pleine charge sait que ce port était probablement une connexion de données fournissant 500 mA, conformément à la norme USB 2.0.
Figure 2 : Évolution des politiques d’alimentation USB. Les normes propriétaires variaient selon les fabricants, tandis que les nouvelles spécifications USB assuraient généralement la rétrocompatibilité.
Ce problème a donné lieu à la première spécification PD (révision 1), qui a établi une norme universelle pour la charge à des tensions alternatives (supérieures à 5 V) à l'aide de câbles USB 4 broches classiques. Le maintien de la rétrocompatibilité nécessitait l'ajout d'un signal « hello » à la ligne VBUS, une opération complexe à mettre en œuvre, et le projet a finalement été abandonné faute d'adoption significative. L'USB-IF souhaiterait que l'on oublie l'existence de cette spécification, et en pratique, il serait préférable de l'oublier. Cette approche n'est plus valable ni prise en charge.
Aujourd'hui, les versions PD 2.0 et 3.0 existent, intégrant les spécifications d'alimentation programmable (PPS). Elles ont été développées en même temps que le port USB Type-C, avec des connexions de signal supplémentaires. Les différences entre les versions 2 et 3 résident principalement dans les détails de la communication CC. Toutes deux sont rétrocompatibles avec les implémentations USB précédentes (à l'exception de la révision 1 de PD), et l'expérience utilisateur reste identique. Les périphériques négocient les profils de charge, potentiellement par incréments de 20 mV (avec les implémentations PPS). Les périphériques compatibles PD peuvent (sans y être obligés) supporter une puissance de transfert jusqu'à 100 W (5 A à 20 V). L'utilisation de systèmes propriétaires pour annoncer des profils de charge alternatifs via les lignes de données est formellement interdite. L'USB Type-C permet également une charge simplifiée de 1,5 A et 3 A à 5 V (reconnue par des résistances sur la broche CC, et non par le signal numérique). Les ports USB Type-C ne nécessitent pas l'alimentation Power Delivery (PD), mais cette dernière requiert un port Type-C. C'est là que l'USB 4 change la donne (voir Fig. 3) : l'USB 4 utilise la communication PD pour activer le mode USB 4.
Figure 3 : Relation entre les données et l'alimentation USB – L'USB 2.0 peut être utilisé avec n'importe quel câble USB, avec ou sans alimentation via un câble Type-C. L'USB 3.x requiert un câble doté de lignes SuperSpeed supplémentaires, avec ou sans alimentation via un câble Type-C. L'USB 4 ne peut être utilisé qu'avec une connexion Type-C et la communication Power Delivery. L'alimentation ne peut être utilisée qu'avec une connexion Type-C, mais elle ne nécessite pas de données.
Bien que les nouveaux appareils suivront les nouvelles spécifications simplifiées, la complexité de la charge USB provient de toutes ces normes héritées, qui existent toutes encore dans les ports plus anciens, et un nouveau port USB4 peut se brancher sur n'importe lequel de ces ports hérités (voir tableau 1).
Tableau 1 : Connexions d'alimentation USB
Cas d'utilisation et expériences utilisateur :
Maintenir la rétrocompatibilité sur cinq générations complexifie la gestion des connexions d'alimentation. Le devenir des anciens ports et câbles USB reste incertain, et les utilisateurs peuvent se demander : « Est-ce que ça chargera ? »
Heureusement, abstraction faite des spécifications techniques, l'essentiel du problème se résume à quelques expériences utilisateur possibles. Bien que toutes les applications se chargent, leur chargement peut être plus ou moins rapide.
Il existe essentiellement quatre cas d'utilisation à considérer dans le contexte de l'USB4 :
1. Un port de charge classique est connecté à un périphérique USB4 Type-C à l'aide d'un câble adaptateur.
2. Un chargeur USB4 Type-C est connecté à un port classique à l'aide d'un câble adaptateur.
3. Un port USB4 Type-C est connecté à un port non USB4 Type-C à l'aide d'un câble d'alimentation CC, un répartiteur résistif étant placé sur la ligne d'alimentation.
4. Deux ports Type-C sont connectés par un câble d'alimentation CC et communiquent via les lignes d'alimentation ; l'un ou les deux peuvent être des périphériques USB4.
En matière de normes USB, le connecteur Lightning 8 broches d'Apple transmet les mêmes signaux qu'un câble USB 3.x classique. Les ports USB 4 connectés via des adaptateurs USB-C vers Lightning se comportent de la même manière que les câbles USB-C vers micro-B ou USB-C vers USB-A en ce qui concerne l'alimentation. Voici un résumé des performances attendues dans chaque cas de charge :
Un port de charge hérité est connecté à un périphérique USB 4.0 via un câble adaptateur.
Les ports hérités, tels que les ports de type A et B, ont pu être conçus avant les spécifications de l'USB-C (voir figure 1). Ces ports n'ont jamais été, et ne seront jamais, soumis à une exigence particulière de charge rapide. Un port USB 2.0 peut charger par défaut à 500 mA, et un port USB 3.x à 900 mA. Heureusement, la plupart des ports USB récents prennent en charge la norme BC1.2 et fournissent 7,5 W. Quel que soit le type de câble adaptateur utilisé, le périphérique USB 4.0 ou USB-C connecté à ce port de charge hérité ne peut pas consommer plus de 7,5 W sans enfreindre les spécifications USB.
Port de charge USB 4 connecté à un appareil ancien via un câble adaptateur :
Lorsqu'un port de charge USB 4 est connecté à un appareil ancien, plusieurs cas de figure sont possibles. Le port USB 4 peut être annoncé comme fournissant 1,5 A selon la norme BC1.2, tandis que le câble peut fournir 7,5 W. Si le port USB 4 n'est pas configuré pour gérer la surcharge de la norme BC1.2, il fournira par défaut 500 mA pour une connexion de données USB 2.0, ou 900 mA pour une connexion de données USB 3.x. Cela peut être frustrant pour les utilisateurs, car le port USB plus récent peut entraîner une charge plus lente lorsqu'il est utilisé avec des câbles adaptateurs.
Conversion USB4 vers Type-C (non USB4) avec diviseurs résistifs :
si le fournisseur d’alimentation ou l’utilisateur utilise un diviseur résistif Type-C pour communiquer la puissance disponible, le transfert de puissance sera déterminé par ce diviseur. Le périphérique USB4 ne pourra pas communiquer sur les lignes CC, mais il reconnaîtra l’accessoire, la relation fournisseur/utilisateur et la limite de courant (1,5 A ou 3 A) grâce à des sources de courant ou des résistances connectées aux lignes CC. La tension du bus restera à 5 V et le périphérique en charge pourra consommer jusqu’à 7,5 W ou 15 W. Sachant qu’il n’est pas en mode PD, il peut indiquer qu’il ne s’agit pas d’une charge rapide, pour une expérience utilisateur optimale.
Connexion USB-C vers USB-C avec communication PD :
il s’agit potentiellement de la connexion USB4 la plus performante en termes de transfert d’énergie, mais les résultats exacts peuvent varier. Les deux appareils connectés négocient un contrat d’alimentation en fonction de leurs capacités, jusqu’à 20 V et 5 A. Cette négociation détermine le rôle du fournisseur ou du consommateur d’énergie. Il est possible de connecter deux consommateurs d’énergie qui négocieront de ne pas se transférer d’énergie (cas d’utilisation valide pour le transfert de données entre appareils portables). Les ports fournissant de l’énergie peuvent être marqués d’un symbole de batterie, ce qui permet souvent aux utilisateurs de savoir quels ports d’une station d’accueil ou d’un ordinateur portable sont configurés pour l’alimentation. Dans ce cas, le port fournissant de l’énergie doit être capable de fournir au moins 1,5 A à 5 V (7,5 W, soit la même puissance que la norme BC1.2) pour utiliser le logo de charge approuvé par l’USB-IF. Des niveaux de puissance supérieurs ne sont pas garantis, même sur un port USB-C portant une icône de charge. Étant donné que la puissance de charge peut varier de 7,5 W à 100 W, l'utilisateur ne sera informé de son état que si l'un des appareils effectue un signalement (indiquant le niveau de puissance ou une connexion de charge rapide). Ce cas d'utilisation peut engendrer des expériences utilisateur imprévisibles et frustrantes, mais avec un système de signalement efficace et une interface utilisateur intuitive, il pourrait également offrir une expérience optimale.
En conclusion
, l'ajout de l'USB4 augmentera considérablement la bande passante et les capacités des applications USB compatibles, mais l'USB 2.0 et l'USB 3.x resteront utilisés pour les applications supportant des débits de transfert de données inférieurs. La consommation d'énergie augmentera, mais une conception intelligente des applications permettra de préserver l'expérience utilisateur.
Auteur : Fionn Sheerin, ingénieur marketing produit senior, division Interfaces de puissance et analogiques, Microchip Technology
