L'obiettivo principale dello sviluppo di USB4 è raddoppiare la velocità di trasferimento dati rispetto a USB 3.2 (40 Gbps contro i precedenti 20 Gbps) e garantire la compatibilità con il protocollo Thunderbolt di Intel. USB4 utilizzerà esclusivamente la porta USB Type-C, la porta ovale con la lama al centro, famosa per la sua capacità di accettare cavi anche se inseriti capovolti. Sebbene l'inserimento dei cavi possa essere più semplice, la tecnologia di ricarica delle porte USB4 deve ora includere USB PD, il che aggiunge complessità. Le specifiche della precedente generazione di USB, che utilizzava la porta Type-C, prevedevano un'opzione per abilitare PD; USB4 lo rende obbligatorio.
L'alimentazione è necessaria nello standard USB4.
La specifica PD è stata rivista per includere nuovi messaggi per il rilevamento e la transizione alla modalità USB4, ma gli schemi di alimentazione rimangono gli stessi. Utilizzano un bus a singolo filo da 300 kHz su una delle linee del canale di configurazione (CC) dell'interfaccia USB Type-C, che permette all'host e al dispositivo di rilevare e negoziare l'alimentazione e i dati da trasferire (Fig. 1). L'altra linea CC funge da "VCONN", un'alimentazione dedicata al marcatore elettronico (un circuito di identificazione all'interno del cavo USB). L'alimentazione fornita tra le porte USB viene trasferita su un set di fili separato all'interno del connettore (etichettato "VBUS"; vedi Fig. 2). Quando due dispositivi PD si connettono, utilizzano il filo CC per rilevarsi a vicenda, comunicare le proprie capacità di alimentazione (quali tensioni e quanta potenza a ciascuna tensione), determinare quale dispositivo deve essere la sorgente o il ricevitore di alimentazione, negoziare quanta potenza erogare e quindi fornire tale alimentazione su VBUS. Questo segnale digitale a 300 kHz viene utilizzato anche per identificare se la connessione USB può supportare un collegamento USB4, quindi non è possibile implementare USB4 senza questa comunicazione. Le porte USB4 non necessitano di fornire o ricevere alimentazione oltre un minimo di 5 V/900 mA; tuttavia, devono supportare la comunicazione PD per funzionare come USB4.
Storia dell'alimentazione sul bus seriale universale
Per comprendere le esperienze di ricarica degli utenti su USB4, è utile comprendere la storia dell'alimentazione tramite il connettore USB (vedere Fig. 2). Il bus seriale universale era originariamente concepito per la comunicazione seriale dei dati, con una corrente massima di 100 mA sul cavo. La specifica USB 2.0 era limitata a 500 mA sulla linea VBUS; questo era sufficiente per alimentare le periferiche di base del computer. Lo standard USB 3.0 ha aumentato il limite di corrente a 900 mA, ma con i dispositivi portatili che convergevano su un unico connettore sia per i dati che per l'alimentazione, questo era insufficiente.
I comitati USB hanno pubblicato le specifiche di ricarica della batteria (BC), che sono culminate nella specifica BC1.2 nel 2010, consentendo 1,5 A (7,5 W); a quel tempo, molti produttori di smartphone hanno scelto di non essere compatibili con USB.
Ciò ha portato a un protocollo di ricarica proprietario che utilizzava livelli di tensione fissi sulle linee D+ e D- (linee dati USB): 2 V su una linea e 2,7 V sull'altra potevano fornire una carica di 10 W; Una tensione di 2,7 V su entrambe le linee dati poteva segnalare una carica di 12 W; 3,3 V su ciascuna linea causavano l'erogazione di 20 V da parte del caricabatterie (che poteva essere dannosa se applicata accidentalmente). Questi metodi non erano interoperabili e i risultati erano imprevedibili. Inoltre, le linee dati utilizzate per determinare i livelli di carica non erano più disponibili per il trasferimento dati. Una porta può trasferire file o caricare più velocemente, ma non entrambe le cose. Chiunque abbia mai avuto un telefono che si spegneva durante la ricarica sa che quella porta era probabilmente una connessione dati che forniva 500 mA secondo le specifiche USB 2.0.
Figura 2: Politiche di alimentazione USB nel corso del tempo. Gli standard proprietari variavano a seconda del produttore, mentre le nuove specifiche USB in genere mantenevano la compatibilità con le versioni precedenti.
Questo problema ha portato alla prima specifica PD (revisione 1), che ha creato uno standard universale per la ricarica a tensioni alternative (superiori a 5V) utilizzando i tradizionali cavi USB a 4 pin. Mantenere la compatibilità con le versioni precedenti richiedeva l'aggiunta di un segnale di saluto alla linea VBUS stessa, operazione complessa da implementare, e l'intero progetto è stato abbandonato senza una diffusione significativa. L'USB-IF preferirebbe che tutti si dimenticassero che questa specifica sia mai stata scritta e, in pratica, tutti dovrebbero farlo. Questo approccio non è più valido né supportato.
Oggi esistono le versioni 2.0 e 3.0 di PD, che includono le specifiche per l'alimentazione programmabile (PPS). Queste sono state create insieme alla porta USB Type-C, con l'aggiunta di connessioni di segnale. Le differenze tra le versioni 2 e 3 risiedono principalmente nei dettagli della comunicazione in corrente continua. Entrambe sono retrocompatibili con le precedenti implementazioni USB (esclusa la revisione 1 di PD) e l'esperienza utente sarà la stessa. I dispositivi negoziano i profili di carico, potenzialmente con incrementi fino a 20 mV (nelle implementazioni PPS). I dispositivi compatibili con PD possono (ma non sono obbligati a) supportare un trasferimento di potenza fino a 100 W entro le specifiche (5 A a 20 V). Sono esplicitamente vietati gli schemi proprietari per pubblicizzare profili di carico alternativi utilizzando le linee dati, ma USB Type-C consente anche una ricarica semplificata a 1,5 A e 3 A a 5 V (riconosciuta dalle resistenze sul pin CC, anziché dal segnale digitale). Le porte USB Type-C non richiedono Power Delivery (PD), ma il PD richiede una porta Type-C, ed è qui che l'USB 4 cambia le cose (vedi Fig. 3); l'USB 4 utilizza la comunicazione PD per abilitare la modalità USB 4.
Figura 3: Relazione tra dati USB e alimentazione USB - USB 2.0 può esistere su qualsiasi cavo USB, con o senza Power Delivery su un cavo Type-C. USB 3.x richiede un cavo con linee SuperSpeed aggiuntive, con o senza Power Delivery su un cavo Type-C. USB 4 può esistere solo su una connessione Type-C, con comunicazione Power Delivery. Il Power Delivery può esistere solo su una connessione Type-C, ma non richiede dati.
Sebbene i nuovi dispositivi seguiranno le nuove specifiche semplificate, la complessità della ricarica USB deriva da tutti questi standard preesistenti, che sono ancora presenti nelle porte più vecchie, e una nuova porta USB4 può essere collegata a una qualsiasi di queste porte preesistenti (vedi Tabella 1).
Tabella 1: Connessioni di alimentazione USB
Casi d'uso ed esperienze utente:
cercare di mantenere la compatibilità con cinque generazioni precedenti crea un panorama complesso di potenziali connessioni di alimentazione. Rimane un grande punto interrogativo su cosa accadrà a tutte le porte e i cavi USB più vecchi, e gli utenti potrebbero continuare a chiedersi: "Riuscirà a caricare?".
Fortunatamente, tralasciando le specifiche proprietarie, la maggior parte della questione si riduce a poche possibili esperienze utente. Sebbene tutte si carichino, non tutte potrebbero caricarsi rapidamente.
Esistono essenzialmente quattro casi d'uso da considerare nel contesto di USB4:
1. Una porta di ricarica legacy si collega a un dispositivo USB4 Type-C tramite un cavo adattatore.
2. Un caricabatterie USB4 Type-C si collega a una porta legacy tramite un cavo adattatore.
3. Una porta USB4 Type-C si collega a una porta Type-C non USB4 con un cavo CC e posiziona uno splitter resistivo sulla linea CC.
4. Due porte Type-C si collegano con un cavo CC e comunicano sulle linee CC; una o entrambe potrebbero essere dispositivi USB4.
In termini di standard USB, il connettore Lightning a 8 pin di Apple trasmette gli stessi segnali di un cavo USB 3.x tradizionale. Le porte USB 4 collegate tramite cavi adattatori da USB-C a Lightning si comporteranno in modo simile ai cavi da USB-C a micro-B o da USB-C a USB-A per quanto riguarda la funzionalità di alimentazione. Di seguito è riportato un riepilogo di cosa aspettarsi in ciascun caso di utilizzo per la ricarica:
Porta di ricarica legacy collegata a un dispositivo USB4 tramite un cavo adattatore.
Le porte legacy, come quelle di tipo A e tipo B, potrebbero essere state create prima delle specifiche di tipo C (vedere Figura 1). Non c'era, e non ci sarà, alcun obbligo per queste porte di implementare uno schema di ricarica più veloce specifico. Una porta USB 2.0 potrebbe caricare a 500 mA per impostazione predefinita, oppure una porta USB 3.x potrebbe caricare a 900 mA per impostazione predefinita. La buona notizia è che la maggior parte delle porte USB più recenti supporta BC1.2 e fornisce 7,5 W. Indipendentemente dal tipo di cavo adattatore utilizzato, il dispositivo USB4 o di tipo C collegato alla porta di ricarica legacy non può assorbire più di 7,5 W di potenza senza violare le specifiche USB.
Porta di ricarica USB4 collegata a un dispositivo meno recente tramite cavo adattatore:
quando una porta di ricarica USB4 viene collegata a un dispositivo meno recente, possono verificarsi diversi problemi. La porta USB4 potrebbe essere pubblicizzata come in grado di erogare 1,5 A utilizzando lo standard BC1.2, mentre il cavo potrebbe erogare 7,5 W. Se la porta USB4 non è configurata per gestire il sovraccarico aggiuntivo del BC1.2, erogherà di default 500 mA per una connessione dati USB 2.0 o 900 mA per una connessione dati USB 3.x. Questo può risultare frustrante per gli utenti, poiché la porta USB più avanzata potrebbe comportare una ricarica più lenta se utilizzata con cavi adattatori.
Da USB4 a Type-C non USB4 con divisori resistivi:
se il fornitore di energia o il consumatore utilizza il metodo del partitore resistivo Type-C per pubblicizzare le capacità di alimentazione, questo determinerà il trasferimento di energia. Il dispositivo USB4 non sarà in grado di comunicare sulle linee CC, ma riconoscerà comunque l'accessorio, la relazione fornitore/consumatore e il limite di corrente (1,5 A o 3 A) utilizzando sorgenti di corrente o resistori collegati alle linee CC. La tensione del bus rimarrà a 5 V e il dispositivo di ricarica sarà in grado di assorbire fino a 7,5 W o 15 W. Poiché il dispositivo sa di non essere in modalità PD, può indicare che non sta effettuando la ricarica rapida per un'esperienza utente chiara.
Da Type-C a Type-C, con comunicazione PD:
questa è potenzialmente la connessione USB4 più performante in termini di trasferimento di energia, ma i risultati effettivi possono variare. I due dispositivi collegati negozieranno un contratto di alimentazione in base alle proprie capacità, fino a 20 V e 5 A. Parte della negoziazione riguarda il ruolo di fornitore o consumatore di energia. È possibile collegare due consumatori di energia, che negozieranno per non trasferire energia (e questo è un caso d'uso valido per il trasferimento di dati tra dispositivi portatili). Le porte di alimentazione possono essere contrassegnate da un simbolo di batteria, quindi in molti casi gli utenti sapranno quali porte su una docking station o un laptop sono configurate per fornire alimentazione. In tal caso, la porta di alimentazione deve essere in grado di fornire almeno 1,5 A a 5 V (7,5 W, lo stesso valore di BC1.2) per utilizzare un logo di ricarica approvato da USB-IF. Livelli di potenza superiori non sono garantiti nemmeno su una porta Type-C contrassegnata da un'icona di ricarica. Poiché il contratto di potenza può prevedere qualsiasi livello di potenza da 7,5 W a 100 W, l'utente saprà cosa sta succedendo solo se uno dei dispositivi invia un report sul contratto (indicando un livello di potenza o una connessione di ricarica rapida). Questo caso d'uso ha certamente il potenziale di creare esperienze utente imprevedibili e frustranti, ma con un buon sistema di reporting e interfacce utente intuitive, potrebbe anche tradursi in un'esperienza utente perfetta.
In conclusione
, l'introduzione dell'USB 4 aumenterà significativamente la larghezza di banda e le capacità delle applicazioni USB che possono utilizzarlo, ma l'USB 2.0 e l'USB 3.x continueranno a essere utilizzati nelle applicazioni in grado di gestire velocità di trasferimento dati inferiori. Il consumo energetico aumenterà, ma con una progettazione intelligente delle applicazioni, ciò non si tradurrà necessariamente in una scarsa esperienza utente.
Autore: Fionn Sheerin, Ingegnere Senior di Marketing di Prodotto, Divisione Interfacce Analogiche e di Potenza, Microchip Technology
