Основная цель разработки USB4 — удвоить скорость передачи данных по сравнению с USB 3.2 (40 Гбит/с против предыдущих 20 Гбит/с) и обеспечить совместимость с протоколом Thunderbolt от Intel. USB4 будет использовать исключительно порт USB Type-C — овальный порт с центральным выступом, известный тем, что позволяет подключать кабели даже вверх ногами. Хотя подключение кабеля может стать проще, технология зарядки, используемая в портах USB4, теперь должна включать USB PD, что усложняет задачу. Спецификации предыдущего поколения USB, использовавшего порт Type-C, предусматривали возможность включения PD; USB4 делает это обязательным.
В режиме USB4 требуется подача питания.
Спецификация PD была пересмотрена и включает новые сообщения для обнаружения и перехода в режим USB4, но схемы питания остались прежними. Для обнаружения и согласования питания и передаваемых данных хост и устройство используют однопроводную шину 300 кГц на одной из линий конфигурационного канала (CC) интерфейса USB Type-C (рис. 1). Другая линия CC выполняет роль «VCONN», выделенного источника питания для электронного маркера (схемы идентификации внутри USB-кабеля). Питание между USB-портами передается по отдельному набору проводов внутри разъема (обозначенному как «VBUS»; см. рис. 2). Когда два устройства PD соединяются, они используют провод CC для обнаружения друг друга, обмена информацией о своих возможностях питания (какие напряжения и сколько мощности при каждом напряжении), определения того, какое устройство должно быть источником или приемником питания, согласования необходимой мощности, а затем подачи этой мощности по VBUS. Этот цифровой сигнал частотой 300 кГц также используется для идентификации того, что USB-соединение поддерживает связь USB4, поэтому без этой связи реализовать USB4 невозможно. Порты USB4 не нуждаются в подаче или приеме питания свыше минимального значения 5 В/900 мА; однако для работы в режиме USB4 они должны поддерживать связь PD.
История передачи питания по универсальной последовательной шине (
USB4). Чтобы понять опыт пользователей в зарядке через USB4, полезно ознакомиться с историей передачи питания через разъем USB (см. рис. 2). Универсальная последовательная шина изначально предназначалась для последовательной передачи данных с максимальным током 100 мА на кабеле. Спецификация USB 2.0 ограничивала ток до 500 мА на линии VBUS; этого было достаточно для питания основных компьютерных периферийных устройств. Стандарт USB 3.0 увеличил ограничение тока до 900 мА, но поскольку портативные устройства стали использовать один разъем как для передачи данных, так и для питания, этого оказалось недостаточно.
Комитеты USB опубликовали спецификации зарядки батарей (BC), которые завершились выпуском спецификации BC1.2 в 2010 году, допускающей 1,5 А (7,5 Вт); в то время многие производители смартфонов отказались от совместимости с USB.
Это привело к появлению проприетарного протокола зарядки, использующего фиксированные уровни напряжения на линиях D+ и D- (линии передачи данных USB): 2 В на одной линии и 2,7 В на другой могли обеспечить зарядку мощностью 10 Вт; 2,7 В на обеих линиях передачи данных могли сигнализировать о зарядке мощностью 12 Вт; 3,3 В на каждой линии приводило к подаче зарядным устройством 20 В (что могло быть опасно при случайном воздействии). Эти методы не были совместимы, и результаты были непредсказуемыми. Кроме того, линии передачи данных, используемые для определения уровней зарядки, больше не были доступны для передачи данных. Порт может передавать файлы или заряжать быстрее, но не то и другое одновременно. Любой, у кого когда-либо разряжался телефон во время зарядки, знает, что этот порт, скорее всего, был соединением для передачи данных, подающим 500 мА в соответствии со спецификациями USB 2.0.
Рисунок 2: Политика управления питанием USB с течением времени. Собственные стандарты различались в зависимости от производителя, в то время как новые спецификации USB, как правило, сохраняли обратную совместимость.
Эта проблема привела к созданию первой спецификации PD (версия 1), которая установила универсальный стандарт для зарядки при альтернативных напряжениях (выше 5 В) с использованием традиционных 4-контактных USB-кабелей. Для поддержания обратной совместимости потребовалось добавить сигнал "hello" к самой линии VBUS, что было сложно реализовать, и от всей этой затеи отказались без существенного распространения. USB-IF предпочла бы, чтобы все забыли о существовании этой спецификации, и, с практической точки зрения, так и должно быть. Такой подход больше не актуален и не поддерживается.
Сегодня существуют версии PD 2.0 и 3.0, и в них включены спецификации программируемого источника питания (PPS). Они были созданы одновременно с портом USB Type-C, с добавлением сигнальных соединений. Различия между версиями 2 и 3 заключаются в основном в деталях передачи постоянного тока. Обе версии обратно совместимы с предыдущими реализациями USB (за исключением PD версии 1), и пользовательский опыт будет одинаковым. Устройства согласовывают профили нагрузки, потенциально с шагом до 20 мВ (в реализациях PPS). Устройства, поддерживающие PD, могут (но не обязаны) поддерживать передачу мощности до 100 Вт в рамках спецификации (5 А при 20 В). Использование собственных схем для передачи альтернативных профилей нагрузки с помощью линий данных категорически запрещено, но USB Type-C также позволяет упростить зарядку током 1,5 А и 3 А при 5 В (распознается резисторами на выводе CC, а не цифровым сигналом). Порты USB Type-C не требуют технологии Power Delivery (PD), но для PD необходим порт Type-C, и именно здесь USB 4 вносит изменения (см. рис. 3); USB 4 использует связь PD для включения режима USB 4.
Рисунок 3: Взаимосвязь между данными USB и питанием USB — USB 2.0 может работать на любом кабеле USB, с передачей питания по кабелю Type-C или без нее. USB 3.x требует кабеля с дополнительными линиями SuperSpeed, с передачей питания по кабелю Type-C или без нее. USB 4 может работать только через соединение Type-C с передачей питания. Power Delivery может работать только через соединение Type-C, но для этого не требуется передача данных.
Хотя новые устройства будут соответствовать новым упрощенным спецификациям, сложность зарядки через USB обусловлена всеми этими устаревшими стандартами, которые все еще существуют в старых портах, и новый порт USB4 может подключаться к любому из этих устаревших портов (см. Таблицу 1).
Таблица 1: Разъемы питания USB
Примеры использования и пользовательский опыт:
Попытка сохранить обратную совместимость пяти поколений устройств создает сложную картину потенциальных вариантов подключения питания. Это оставляет большой вопросительный знак относительно того, что произойдет со всеми старыми USB-портами и кабелями, и пользователи могут по-прежнему задаваться вопросом: «Будет ли оно заряжаться?»
К счастью, если не принимать во внимание технические характеристики, большая часть истории сводится к нескольким возможным вариантам пользовательского интерфейса. Хотя все они загрузятся, не все из них могут загружаться быстро.
В контексте USB4 можно выделить четыре основных сценария использования:
1. Устаревший зарядный порт подключается к устройству USB4 Type-C с помощью адаптерного кабеля.
2. Зарядное устройство USB4 Type-C подключается к устаревшему порту с помощью адаптерного кабеля.
3. Порт USB4 Type-C подключается к порту Type-C, не являющемуся портом USB4, с помощью кабеля постоянного тока и устанавливает резистивный разветвитель на линии постоянного тока.
4. Два порта Type-C подключаются с помощью кабеля постоянного тока и обмениваются данными по линиям постоянного тока; один или оба из них могут быть устройствами USB4.
Что касается стандартов USB, 8-контактный разъем Lightning от Apple передает те же сигналы, что и устаревший кабель USB 3.x. Порты USB4, подключенные через адаптеры USB-C — Lightning, будут работать аналогично кабелям USB-C — micro-B или USB-C — USB-A с точки зрения питания. Ниже приведено краткое описание того, чего следует ожидать в каждом сценарии зарядки:
Устаревший порт зарядки, подключенный к устройству USB4 через адаптерный кабель.
Устаревшие порты, такие как Type-A и Type-B, могли быть созданы до появления спецификаций Type-C (см. рис. 1). Не было и не будет требований к этим портам в отношении реализации какой-либо конкретной схемы более быстрой зарядки. Порт USB 2.0 может по умолчанию заряжать со скоростью 500 мА, а порт USB 3.x — со скоростью 900 мА. Хорошая новость заключается в том, что большинство новых портов USB поддерживают BC1.2 и обеспечивают 7,5 Вт. Независимо от типа используемого адаптерного кабеля, устройство USB4 или Type-C, подключенное к устаревшему порту зарядки, не может потреблять более 7,5 Вт мощности без нарушения спецификаций USB.
Подключение порта USB4 к устаревшему устройству через адаптерный кабель:
При подключении порта USB4 к устаревшему устройству возможны несколько вариантов развития событий. Порт USB4 может рекламироваться как обеспечивающий ток 1,5 А в соответствии со стандартом BC1.2, в то время как кабель может передавать 7,5 Вт. Если порт USB4 не настроен на дополнительную нагрузку стандарта BC1.2, он будет по умолчанию выдавать 500 мА для передачи данных по USB 2.0 или 900 мА для передачи данных по USB 3.x. Это может вызывать разочарование у пользователей, поскольку более продвинутый порт USB может приводить к более медленной зарядке при использовании адаптерных кабелей.
USB4 к не-USB4 Type-C с резистивными делителями:
Если поставщик или потребитель питания использует метод резистивного делителя Type-C для передачи данных о мощности, это будет определять способ передачи энергии. Устройство USB4 не сможет обмениваться данными по линиям постоянного тока, но оно по-прежнему будет распознавать аксессуар, связь между поставщиком и потребителем, а также ограничение тока (1,5 А или 3 А) с помощью источников тока или резисторов, подключенных к линиям постоянного тока. Напряжение шины останется на уровне 5 В, и заряжаемое устройство сможет потреблять до 7,5 Вт или 15 Вт. Поскольку устройство знает, что оно не находится в режиме быстрой зарядки (PD), оно может указывать на отсутствие быстрой зарядки для обеспечения понятного пользовательского интерфейса.
Соединение Type-C с Type-C с поддержкой PD:
это потенциально наиболее производительное соединение USB4 с точки зрения передачи энергии, но точные результаты могут различаться. Два подключенных устройства будут согласовывать контракт на питание, исходя из своих возможностей, до 20 В и 5 А. Частью согласования является роль поставщика или потребителя питания. Возможно подключение двух потребителей питания, которые будут согласовывать отказ от передачи энергии (и это допустимый вариант использования для передачи данных между портативными устройствами). Порты поставщика питания могут быть обозначены символом батареи, поэтому во многих случаях пользователи будут знать, какие порты на док-станции или ноутбуке настроены на подачу питания. В этом случае порт поставщика питания должен быть способен подавать не менее 1,5 А при 5 В (7,5 Вт, как в BC1.2), чтобы использовать одобренный USB-IF логотип зарядки. Более высокие уровни мощности не гарантируются даже на порту Type-C, обозначенном значком зарядки. Поскольку уровень мощности, указанный в договоре, может варьироваться от 7,5 Вт до 100 Вт, пользователь узнает о происходящем только в том случае, если одно из устройств сообщит об уровне мощности или подключении к быстрой зарядке. Такой сценарий использования, безусловно, может привести к непредсказуемому и неприятному пользовательскому опыту, но при наличии хорошей системы отчетности и удобного пользовательского интерфейса он может стать и идеальным.
В заключение
, добавление USB4 значительно увеличит пропускную способность и возможности USB-приложений, которые могут его использовать, но USB 2.0 и USB 3.x будут по-прежнему использоваться в приложениях, способных обрабатывать более низкие скорости передачи данных. Энергопотребление увеличится, но при грамотном проектировании приложений это не обязательно приведет к ухудшению пользовательского опыта.
Автор: Фионн Шерин, старший инженер по маркетингу продукции, подразделение силовых и аналоговых интерфейсов, Microchip Technology
