Atualmente, a interface USB é omnipresente e a sua adoção é ampla. Apesar da sua omnipresença, os engenheiros devem considerar algumas especificações técnicas essenciais para o seu funcionamento: o padrão do conector USB — ou formato físico — (Tipo A, B ou C, mini-B, etc.), a velocidade de transferência de dados (USB 3.0, USB 3.2, USB 4.0, etc.) e o padrão de fornecimento de energia USB (USB 2.0, USB PD 3.0, USB 3.1, etc.).
Neste artigo, iremos discutir a interface USB, rever brevemente a sua evolução e explicar porque se tornou a porta de carregamento padrão para dispositivos eletrónicos de consumo na União Europeia e no Reino Unido.
As Origens da Conectividade nos Computadores Pessoais:
Acredite ou não, o USB existe há cerca de 26 anos e, durante esse tempo, teve um enorme impacto na indústria dos computadores e da eletrónica de consumo. A norma USB 1.0 surgiu em 1996 em resposta à necessidade de ligar periféricos externos a um computador. Desde então, a adoção desta interface ganhou impulso rapidamente. A sua utilização expandiu-se para conectar e alimentar diversos dispositivos, como telemóveis, smartwatches, dispositivos de monitorização de atividades físicas e câmaras de segurança residenciais. Como interface simples e prática, o seu sucesso era garantido e substituiu outros métodos de conectividade mais antigos e lentos utilizados na década de 1990, como a porta série RS-232 e as portas paralelas Centronics. Atualmente, a interface USB oferece muito mais do que a sua capacidade de transferência inicial. Por exemplo, praticamente todos os que possuem um telemóvel utilizam as suas funções de carregamento e alimentação diariamente. Além disso, as velocidades de transferência de dados aumentaram consideravelmente.
A Evolução do USB:
O lançamento do USB 1.0 introduziu um conector com uma velocidade de transferência mais rápida (1,5 Mbps) do que outras interfaces série da época. Introduziu também a capacidade de ligar/desligar um periférico ou dispositivo de armazenamento externo sem desligar o computador, algo impossível com outras interfaces. Além de definir o protocolo de software, o USB 1.0 também especificou os primeiros padrões para os conectores USB: Tipo A e Tipo B. O conector Tipo A (o utilizado como conector num computador) ainda é utilizado hoje e é o design que todos associamos mentalmente à palavra USB. O Tipo B, um conector quadrado, ainda é utilizado, embora seja menos comum do que o Tipo A (Imagem 1).
O USB rapidamente ganhou quota de mercado graças à sua interface simples de quatro fios e à facilidade de montagem do conector e do cabo. Dois anos depois, em 1998, o novo protocolo USB 1.1 inaugurou velocidades de transferência muito mais rápidas, atingindo os 12 Mbps, com a norma Full Speed. A retrocompatibilidade com o USB 1.0 foi mantida, e os dispositivos que utilizavam este protocolo regressavam automaticamente aos 1,5 Mbps.
A adoção pelo mercado continuou a crescer à medida que os fabricantes de computadores e periféricos começaram a concentrar-se no USB e a deixar de suportar outras interfaces. Isto, por sua vez, levou outros fabricantes de equipamentos a aderir à tendência, aumentando ainda mais o número de entidades que adotavam a interface.
Em 2000, o USB Implementers Forum (USB-IF) introduziu a especificação de software USB 2.0 High-Speed, que aumentou a velocidade para 480 Mbps. Este aumento possibilitou o acesso a armazenamento externo, desde discos rígidos a pen drives. Esta mesma especificação permitiu também que o USB alimentasse dispositivos ligados (até 0,5 A a 5 V), iniciando assim a utilização do USB como fonte de alimentação. Até então, os conectores Tipo A e Tipo B eram amplamente utilizados, mas, à medida que o hardware dos computadores se tornou mais compacto, os miniconectores começaram a substituir o Tipo B. Pouco depois de 2007, chegaram os microconectores (Figura 2). Os miniconectores ainda podem ser encontrados em alguns dispositivos mais antigos, mas os microconectores rapidamente se tornaram o padrão dominante. Além disso, à medida que os padrões USB evoluíram, o protocolo de software USB divergiu do padrão do conector físico.
Em 2008, foi lançado o protocolo de software USB 3.0 (posteriormente conhecido como USB 3.2 Gen 1x1), com uma velocidade de transferência teórica até 5 Gbps. Este aumento exponencial de velocidade foi parcialmente possível graças à redução do número de fios de quatro para oito, mantendo a retrocompatibilidade com o USB 1.0. A capacidade de fornecimento de energia aumentou para 900 mA e foi introduzido o conector Tipo-C (Figura 2).
O USB 3.1 (posteriormente conhecido como USB 3.2 Gen 2x1) duplicou a velocidade para 10 Gbps. Pouco depois, foi introduzido o USB 3.2 (posteriormente conhecido como USB 3.2 Gen 2x2), duplicando novamente a velocidade para 20 Gbps.
Imagem 2: A gama completa de formatos de conectores USB (as imagens não estão à escala) (fonte: CUI Devices).
A especificação USB 3.2 também se focou no conector Type-C, o primeiro conector que podia ser encaixado tanto com a polaridade para cima como para baixo. Possui um formato compacto com cantos arredondados. À medida que os padrões USB evoluíram, o mesmo aconteceu com os tipos de dispositivos compatíveis. O conector Tipo-C expandiu o número de casos de utilização e estabeleceu o conceito de utilizar a interface exclusivamente para carregar e alimentar dispositivos.
Rumo ao USB 4 e mais além:
A especificação USB 4.0 foi introduzida em 2019 e duplicou a velocidade para 40 Gbps. Baseia-se no protocolo Thunderbolt 3, com dois canais de transmissão, e requer a utilização de um conector USB Type-C. Além disso, o USB 4.0 definiu um método específico de transferência de vídeo e apresentou características de fornecimento de energia significativamente melhoradas.
Os padrões Type-C e USB 3.2 também expandiram as capacidades de fornecimento de energia, com uma gama de tensões de saída nominais até 48 V CC e uma corrente de até 5 A, ou até 240 W de potência. A Figura 3 mostra os padrões de fornecimento de energia, que evoluíram independentemente, mas em conjunto com os protocolos de software USB.
Figura 3: A evolução do fornecimento de energia USB (fonte: CUI Devices).
A evolução contínua da interface USB acelerou ainda mais a sua adoção, graças à sua capacidade de fornecer níveis de energia mais elevados. Por exemplo, já existem conectores USB-C utilizados exclusivamente para a alimentação.
O aumento da popularidade do conector USB-C coincidiu com a crescente frustração dos consumidores com a enorme quantidade de carregadores que utilizamos para os nossos dispositivos. Em junho de 2022, a União Europeia anunciou um acordo provisório para estabelecer uma solução de carregamento única para determinados dispositivos eletrónicos. A grande maioria dos eurodeputados votou a favor de uma nova lei que exige que todos os novos dispositivos portáteis utilizem o mesmo cabo de carregamento. A partir de 2024, todos os novos telemóveis e tablets deverão ter uma porta de carregamento USB-C, e os computadores portáteis passarão a ter obrigatoriedade a partir de 2026. O governo do Reino Unido ainda não considerou a implementação de legislação semelhante, embora seja provável que siga o exemplo da UE.
Utilização de USB Type-C:
Ao selecionar um conector USB Type-C, devemos considerar os requisitos da aplicação. Será apenas utilizado para alimentação ou também para dados? Quanto espaço está disponível na placa e como é que isso influenciará a localização e a orientação do conector?
Um exemplo de um conector USB 4 Type-C é a série UJ40 da CUI Devices (Figura 4). A série UJ40 suporta a velocidade de transferência de 40 Gbps do USB 4 e está classificada para 5 A e 48 V CC para alimentação. Foi concebida para 10.000 ciclos. Estes conectores de montagem superficial são soldados por refluxo, estão disponíveis nas orientações vertical ou horizontal e possuem uma classificação de inflamabilidade UL 94V-0. O UJ40 suporta tensões de 100 V CA, tem uma resistência de isolamento de 100 MΩ e uma resistência de contacto de 40 mΩ.
Imagem 4: Conectores UJ40 (USB 4 Type-C) da CUI Devices (fonte: CUI Devices).
Para aplicações que apenas requerem alimentação, podem ser utilizados os conectores UJC Tipo C da CUI Devices. Estes modelos têm um design de seis ou oito pinos e estão disponíveis em embalagens de montagem superficial horizontais ou verticais (Figura 5). A tensão de alimentação é de 20 V CC e a corrente nominal pode ser de 3 ou 5 A.
Figura 5: Conectores UJC Tipo C da CUI Devices para aplicações de alimentação USB (fonte: CUI Devices).
Autor: Mark Patricks, Mouser Electronics
A omnipresença do USB:
O USB começou como um meio de ligação para periféricos externos de computador e tornou-se o método líder mundial para transferência de dados com fios, além de ser o padrão de energia para eletrónica de consumo. Esta interface tem uma história incrível e velocidades de transferência cada vez maiores, pelo que o seu futuro está garantido.
