В настоящее время интерфейс USB повсеместно распространен, и его использование широко распространено. Несмотря на это, инженерам необходимо учитывать некоторые важные технические характеристики его работы: стандарт разъема USB — или физический форм-фактор — (тип A, B или C, mini-B и т. д.), скорость передачи данных (USB 3.0, USB 3.2, USB 4.0 и т. д.) и стандарт питания USB (USB 2.0, USB PD 3.0, USB 3.1 и т. д.).
В этой статье мы обсудим интерфейс USB, кратко рассмотрим его эволюцию и объясним, почему он стал стандартным зарядным портом для потребительской электроники в Европейском Союзе и Великобритании.
Истоки подключения персональных компьютеров:
хотите верьте, хотите нет, USB существует уже около 26 лет, и за это время он оказал огромное влияние на компьютерную и бытовую электронику. Стандарт USB 1.0 появился в 1996 году в ответ на необходимость подключения внешних периферийных устройств к компьютеру. С тех пор распространение этого интерфейса быстро набирало обороты. Его использование расширилось для подключения и питания множества устройств, таких как мобильные телефоны, умные часы, фитнес-браслеты и домашние камеры видеонаблюдения. Будучи простым и практичным интерфейсом, его успех был гарантирован, и он вытеснил другие более старые и медленные методы подключения, использовавшиеся в 1990-х годах, такие как последовательный порт RS-232 и параллельные порты Centronics. В настоящее время интерфейс USB предлагает гораздо больше, чем его первоначальная пропускная способность. Например, практически каждый владелец мобильного телефона ежедневно использует его функции зарядки и питания. Кроме того, скорость передачи данных значительно возросла.
Эволюция USB:
с появлением USB 1.0 был представлен разъем с более высокой скоростью передачи данных (1,5 Мбит/с), чем у других последовательных интерфейсов того времени. Он также предоставил возможность подключать/отключать периферийные устройства или внешние накопители без выключения компьютера, что было невозможно с другими интерфейсами. Помимо определения программного протокола, USB 1.0 также определил первые стандарты для разъемов USB: Type A и Type B. Разъем Type A (используемый в качестве разъема в компьютере) используется до сих пор и является тем дизайном, который мы все мысленно ассоциируем со словом USB. Разъем Type B, квадратный разъем, также используется, хотя и встречается реже, чем Type A (Изображение 1).
USB быстро завоевал долю рынка благодаря своему простому четырехпроводному интерфейсу и легкости сборки разъема и кабеля. Два года спустя, в 1998 году, новый протокол USB 1.1 обеспечил гораздо более высокую скорость передачи данных, до 12 Мбит/с, со стандартом Full Speed. Обратная совместимость с USB 1.0 была сохранена, и устройства, использующие этот протокол, автоматически вернулись к скорости 1,5 Мбит/с.
Распространение на рынке продолжало расти, поскольку производители компьютеров и периферийных устройств стали уделять больше внимания USB и прекращать поддержку других интерфейсов. Это, в свою очередь, побудило других производителей оборудования присоединиться к этой тенденции, еще больше увеличив число организаций, использующих этот интерфейс.
В 2000 году USB Implementers Forum (USB-IF) представил спецификацию программного обеспечения USB 2.0 High-Speed, которая увеличила скорость до 480 Мбит/с. Это увеличение позволило использовать внешние накопители, от жестких дисков до флеш-накопителей. Эта же спецификация также позволила использовать USB для питания подключенных устройств (до 0,5 А при 5 В), тем самым положив начало использованию USB в качестве источника питания. До этого момента широко использовались разъемы Type-A и Type-B, но по мере того, как компьютерное оборудование становилось более компактным, мини-разъемы начали заменять Type-B. Вскоре после 2007 года появились микроразъемы (рис. 2). Мини-разъемы все еще можно увидеть на некоторых старых устройствах, но микроразъемы быстро стали доминирующим стандартом. Кроме того, по мере развития стандартов USB программный протокол USB отличался от физического стандарта разъема.
В 2008 году был выпущен программный протокол USB 3.0 (позже известный как USB 3.2 Gen 1x1) с теоретической скоростью передачи до 5 Гбит/с. Это логарифмическое увеличение скорости стало возможным отчасти за счет уменьшения количества проводов с четырех до восьми, при сохранении обратной совместимости с USB 1.0. Мощность питания увеличилась до 900 мА, и был представлен разъем Type-C (рис. 2).
USB 3.1 (позже известный как USB 3.2 Gen 2x1) удвоил скорость до 10 Гбит/с. Вскоре после этого был представлен USB 3.2 (позже известный как USB 3.2 Gen 2x2), который также удвоил скорость до 20 Гбит/с.
Изображение 2: Полный набор форматов разъемов USB (изображения не в масштабе) (источник: CUI Devices).
Спецификация USB 3.2 также уделила особое внимание разъему Type-C, первому разъему, который можно было подключать как вверх, так и вниз. Это компактный форм-фактор со скругленными углами. По мере развития стандартов USB развивались и типы совместимых устройств. Разъем Type-C расширил спектр применения и заложил основу для использования интерфейса исключительно для зарядки и питания устройств.
На пути к USB 4 и далее:
Спецификация USB 4.0 была представлена в 2019 году и удвоила скорость до 40 Гбит/с. Она основана на протоколе Thunderbolt 3, имеет два канала передачи и требует использования разъема USB Type-C. Кроме того, USB 4.0 определил специальный метод передачи видео и значительно улучшил возможности подачи питания.
Стандарты Type-C и USB 3.2 также расширили возможности подачи питания, обеспечив диапазон номинальных выходных напряжений до 48 В постоянного тока и ток до 5 А, или до 240 Вт мощности. На рисунке 3 показаны стандарты подачи питания, которые развивались независимо от программных протоколов USB, но совместно с ними.
Рисунок 3: Эволюция подачи питания USB (источник: CUI Devices).
Постоянное развитие интерфейса USB еще больше ускорило его распространение благодаря возможности передачи более высоких уровней мощности. Например, сейчас существуют разъемы USB-C, используемые исключительно для питания.
Рост популярности разъема USB-C совпал с растущим недовольством потребителей огромным количеством зарядных устройств, используемых для наших устройств. В июне 2022 года Европейский союз объявил о предварительном соглашении о создании единого решения для зарядки определенных электронных устройств. Подавляющее большинство депутатов Европарламента проголосовали за новый закон, требующий, чтобы все новые портативные устройства использовали один и тот же зарядный кабель. С 2024 года все новые мобильные телефоны и планшеты должны иметь зарядный порт USB-C, а ноутбуки станут обязательными с 2026 года. Правительство Великобритании пока не рассматривало вопрос о принятии аналогичного законодательства, хотя, вероятно, последует примеру ЕС.
Использование USB Type-C:
При выборе разъема USB Type-C необходимо учитывать требования к применению. Будет ли он использоваться только для питания или также для передачи данных? Сколько места доступно на плате, и как это повлияет на расположение и ориентацию разъема?
Примером разъема USB 4 Type-C является серия UJ40 от CUI Devices (рис. 4). Серия UJ40 поддерживает скорость передачи данных USB 4 40 Гбит/с и рассчитана на питание 5 А и 48 В постоянного тока. Она рассчитана на 10 000 циклов. Эти разъемы для поверхностного монтажа припаиваются методом оплавления, доступны в вертикальной или горизонтальной ориентации и имеют огнестойкость по стандарту UL 94V-0. UJ40 выдерживает напряжение 100 В переменного тока, имеет сопротивление изоляции 100 МОм и контактное сопротивление 40 мОм.
Изображение 4: Разъемы UJ40 (USB 4 Type C) от CUI Devices (источник: CUI Devices).
Для приложений, требующих только питания, можно использовать разъемы UJC Type C от CUI Devices. Эти модели имеют шести- или восьмиконтактную конструкцию и доступны в горизонтальном или вертикальном корпусе для поверхностного монтажа (рис. 5). Напряжение питания составляет 20 В постоянного тока, а номинальный ток может составлять 3 или 5 А.
Рис. 5: Разъемы UJC Type C от CUI Devices для питания от USB (источник: CUI Devices).
Автор: Марк Патрикс, Mouser Electronics
Вездесущность USB:
USB начинался как средство подключения внешних компьютерных периферийных устройств и стал ведущим мировым методом проводной передачи данных, а также стандартом питания для бытовой электроники. Этот интерфейс имеет удивительную историю и постоянно растущую скорость передачи данных, поэтому его будущее гарантировано.
