O principal objetivo do desenvolvimento do USB4 é duplicar a velocidade de transferência de dados em comparação com o USB 3.2 (40 Gbps contra os 20 Gbps anteriores) e permitir a compatibilidade com o protocolo Thunderbolt da Intel. O USB4 utilizará exclusivamente a porta USB Type-C, a porta oval com a lâmina no centro, famosa por aceitar cabos mesmo quando inseridos ao contrário. Embora a inserção do cabo possa ser mais simples, a tecnologia de carregamento por detrás das portas USB4 deve agora incluir o USB PD, o que acrescenta complexidade. As especificações da geração anterior de USB, que utilizava a porta Type-C, ofereciam a opção de ativar o PD; o USB4 exige isso.
A alimentação por energia é necessária no USB4.
A especificação PD foi revista para incluir novas mensagens para descoberta e transição para o modo USB4, mas os esquemas de alimentação permanecem os mesmos. Utilizam um barramento de 300 kHz de fio único numa das linhas do Canal de Configuração (CC) da interface USB Tipo-C para que o host e o dispositivo descubram e negociem a energia e os dados a transferir (Fig. 1). A outra linha CC assume a função de "VCONN", uma fonte de alimentação dedicada ao marcador electrónico (um circuito de identificação dentro do cabo USB). A energia fornecida entre as portas USB é transferida num conjunto separado de fios dentro do conector (rotulado como "VBUS"; ver Fig. 2). Quando dois dispositivos PD se ligam, utilizam o fio CC para se descobrirem, comunicarem as suas capacidades de alimentação (quais as tensões e quanta energia em cada tensão), determinarem qual o dispositivo que deve ser a fonte ou o recetor de energia, negociarem quanta energia fornecer e, em seguida, fornecerem essa energia em VBUS. Este sinal digital de 300 kHz é também utilizado para identificar se a ligação USB suporta uma ligação USB4, pelo que não há forma de implementar o USB4 sem esta comunicação. As portas USB4 não necessitam de fornecer ou receber energia para além de um mínimo de 5 V/900 mA; no entanto, devem suportar a comunicação PD para funcionarem como USB4.
Histórico do fornecimento de energia no barramento série universal
Para compreender as experiências de carregamento do utilizador em USB4, é útil compreender o histórico do fornecimento de energia através do conector USB (ver Figura 2). O barramento série universal foi originalmente concebido para a comunicação série de dados, com um máximo de 100 mA de corrente no cabo. A especificação USB 2.0 estava limitada a 500 mA na gama VBUS; este era adequado para alimentar periféricos básicos de computador. A norma USB 3.0 aumentou o limite de corrente para 900 mA, mas com a convergência dos dispositivos portáteis num único conector para dados e energia, este tornou-se insuficiente.
Os comités USB publicaram as especificações de carregamento de baterias (BC), que culminaram na especificação BC1.2 em 2010, permitindo 1,5 A (7,5 W); nessa altura, muitos fabricantes de smartphones optaram por não oferecer compatibilidade com USB.
Isto levou a um protocolo de carregamento proprietário que utilizava níveis de tensão fixos nas linhas D+ e D- (linhas de dados USB): 2V numa linha e 2,7V na outra podiam fornecer uma carga de 10W; 2,7V em ambas as linhas de dados podiam sinalizar uma carga de 12W; 3,3V em cada linha faziam com que o carregador fornecesse 20V (o que poderia ser prejudicial se aplicado acidentalmente). Estes métodos não eram interoperáveis e os resultados eram imprevisíveis. Além disso, as linhas de dados utilizadas para determinar os níveis de carregamento já não estavam disponíveis para a transferência de dados. Uma porta pode transferir ficheiros ou pode carregar mais rapidamente, mas não ambos. Qualquer pessoa que já tenha tido um telemóvel que descarregou durante o carregamento sabe que esta porta era provavelmente uma ligação de dados que fornecia 500mA, de acordo com as especificações do USB 2.0.
Figura 2: Políticas de alimentação USB ao longo do tempo. Os padrões proprietários variavam de fabricante para fabricante, enquanto as novas especificações USB geralmente mantinham a compatibilidade com versões anteriores.
Este problema motivou a primeira especificação PD (revisão 1), que criou um padrão universal para o carregamento a tensões alternativas (acima de 5V) utilizando cabos USB tradicionais de 4 pinos. A manutenção da retrocompatibilidade exigiu a adição de um sinal "hello" à própria linha VBUS, o que era complicado de implementar, e todo o projeto foi abandonado sem uma adoção significativa. A USB-IF prefere que todos se esqueçam que esta especificação nem sequer existiu e, na prática, todos deveriam. Esta abordagem já não é válida nem suportada.
Atualmente, existem as versões PD 2.0 e 3.0, que incluem as especificações da fonte de alimentação programável (PPS). Estas foram criadas em conjunto com a porta USB Type-C, com ligações de sinal adicionais. As diferenças entre as versões 2 e 3 residem principalmente nos detalhes da comunicação CC. Ambas são retrocompatíveis com implementações USB anteriores (exceto a revisão 1 do PD), e a experiência do utilizador será a mesma. Os dispositivos negoceiam perfis de carga, potencialmente em incrementos até 20 mV (em implementações PPS). Os dispositivos compatíveis com PD podem (mas não são obrigados a) suportar até 100 W de transferência de energia dentro da especificação (5 A a 20 V). Os esquemas proprietários para anunciar perfis de carga alternativos utilizando as linhas de dados são explicitamente proibidos, mas o USB Type-C também permite um carregamento simplificado de 1,5 A e 3 A a 5 V (reconhecido pelas resistências no pino CC, em vez do sinal digital). As portas USB Type-C não requerem Power Delivery (PD), mas o PD requer uma porta Type-C, e é aqui que o USB 4 muda as coisas (ver Figura 3); o USB 4 utiliza a comunicação PD para activar o modo USB 4.
Figura 3: Relação entre os dados USB e a alimentação USB - O USB 2.0 pode existir em qualquer cabo USB, com ou sem Power Delivery num cabo Type-C. O USB 3. x requer um cabo com linhas SuperSpeed adicionais, com ou sem Power Delivery num cabo Type-C. O USB 4 só pode existir numa ligação Type-C com comunicação Power Delivery. O Power Delivery só pode existir numa ligação Type-C, mas não requer dados.
Embora os novos dispositivos sigam as novas especificações simplificadas, a complexidade do carregamento USB vem de todos estes padrões legados, que ainda existem em portas mais antigas, e uma nova porta USB4 pode ser ligada a qualquer uma destas portas legadas (ver Tabela 1).
Tabela 1: Ligações de alimentação USB
Casos de utilização e experiências do utilizador:
Tentar manter cinco gerações de retrocompatibilidade cria um cenário complexo de possíveis ligações de energia. Isto deixa uma grande incógnita sobre o que acontecerá a todas as portas e cabos USB mais antigos, e os utilizadores podem continuar a perguntar-se: "Será que vai carregar?".
Felizmente, ignorando as especificações proprietárias, a maior parte desta história resume-se a algumas experiências de utilizador possíveis. Embora todas carreguem, nem todas carregam rapidamente.
Existem essencialmente quatro casos de utilização a considerar no contexto do USB4:
1. Uma porta de carregamento legada liga-se a um dispositivo USB4 Type-C utilizando um cabo adaptador.
2.Um carregador USB4 Tipo-C liga-se a uma porta legada utilizando um cabo adaptador.
3. Uma porta USB4 Tipo-C liga-se a uma porta não-USB4 Tipo-C com um cabo CC e utiliza um divisor resistivo na linha CC.
4. Duas portas Tipo-C ligam-se com um cabo CC e comunicam através das linhas CC; uma ou ambas podem ser dispositivos USB4.
Em termos de normas USB, o conector Lightning de 8 pinos da Apple transmite os mesmos sinais que um cabo USB 3. x tradicional. As portas USB 4.0 ligadas através de cabos adaptadores USB-C para Lightning terão um comportamento semelhante aos cabos USB-C para micro-B ou USB-C para USB-A em termos de funcionalidade de energia. Abaixo, um resumo do que esperar em cada caso de utilização de carregamento:
Porta de carregamento legada ligada a um dispositivo USB 4.0 através de um cabo adaptador.
As portas legadas, como as do Tipo A e do Tipo B, podem ter sido criadas antes das especificações do Tipo C (ver Figura 1). Não havia, nem haverá, qualquer exigência para que estas portas implementassem qualquer esquema específico de carregamento mais rápido. Uma porta USB 2.0 pode carregar por defeito a 500 mA, ou uma porta USB 3. x pode carregar por defeito a 900 mA. A boa notícia é que a maioria das portas USB mais recentes suportam BC1.2 e fornecem 7,5 W. Independentemente do tipo de cabo adaptador utilizado, o dispositivo USB 4.0 ou Tipo C ligado à porta de carregamento legada não pode consumir mais de 7,5 W de energia sem violar as especificações USB.
Porta de carregamento USB4 ligada a um dispositivo antigo através de um cabo adaptador:
Quando uma porta de carregamento USB4 é ligada a um dispositivo antigo, podem ocorrer vários resultados. A porta USB4 pode ser anunciada como fornecendo 1,5 A utilizando a norma BC1.2, enquanto o cabo pode fornecer 7,5 W. Se a porta USB4 não estiver configurada para lidar com a sobrecarga adicional do BC1.2, fornecerá, por predefinição, 500 mA para uma ligação de dados USB 2.0 ou 900 mA para uma ligação de dados USB 3. Isto pode ser frustrante para os utilizadores, uma vez que a porta USB mais avançada pode resultar num carregamento mais lento quando utilizada com cabos adaptadores.
Conversão de USB4 para Tipo-C (não USB4) com divisores resistivos:
Se o fornecedor ou consumidor de energia estiver a utilizar o método de divisor resistivo Tipo-C para anunciar a capacidade de energia, este determinará a transferência de energia. O dispositivo USB4 não poderá comunicar nas linhas CC, mas ainda assim reconhecerá o acessório, a relação fornecedor/consumidor e o limite de corrente (1,5 A ou 3 A) utilizando fontes de corrente ou resistências ligadas às linhas CC. A tensão do barramento permanecerá nos 5 V e o dispositivo de carregamento poderá consumir até 7,5 W ou 15 W. Como o dispositivo sabe que não está no modo PD (Power Delivery), pode indicar que não está em carregamento rápido, proporcionando uma experiência clara ao utilizador.
Ligação USB-C para USB-C com comunicação PD:
Esta é potencialmente a ligação USB4 mais eficiente em termos de transferência de energia, mas os resultados exatos podem variar. Os dois dispositivos ligados negociarão um contrato de energia com base nas suas capacidades, até 20 V e 5 A. Parte da negociação envolve o papel de fornecedor ou consumidor de energia. É possível ligar dois consumidores de energia, que negociariam para não transferir energia (e este é um caso de utilização válido para a transferência de dados entre dispositivos portáteis). As portas de fornecimento de energia podem ser marcadas com um símbolo de bateria, pelo que, em muitos casos, os utilizadores saberão quais as portas de uma docking station ou portátil que estão configuradas para fornecer energia. Neste caso, a porta de fornecimento de energia deve ser capaz de fornecer pelo menos 1,5 A a 5 V (7,5 W, o mesmo que BC1.2) para utilizar um logótipo de carregamento aprovado pela USB-IF. Níveis de energia mais elevados não são garantidos, mesmo numa porta USB-C com um ícone de carregamento. Como o contrato de energia pode ter qualquer nível de potência entre 7,5 W e 100 W, o utilizador só saberá o que está a acontecer se um dos dispositivos reportar ao contrato (indicando um nível de potência ou uma ligação de carregamento rápido). Este cenário de utilização tem certamente o potencial de criar experiências de utilizador imprevisíveis e frustrantes, mas com bons relatórios e interfaces de utilizador, pode também tornar-se uma experiência perfeita.
Em conclusão
, a adição do USB4 aumentará significativamente a largura de banda e os recursos para aplicações USB que o podem utilizar, mas o USB 2.0 e o USB 3. x continuarão a ser utilizados em aplicações que suportam taxas de transferência de dados mais baixas. O consumo de energia aumentará, mas com um design de aplicação inteligente, isto não tem necessariamente de levar a uma má experiência para o utilizador.
Autor: Fionn Sheerin, Engenheiro de Marketing de Produto Sénior, Divisão de Interfaces Analógicas e de Energia, Tecnologia de Microchip
