A csatlakozások egyszerűsítése USB-C használatával

Az asztali és hordozható számítógépek és táblagépek egyre kisebbek, így kevés hely marad az adat- és tápcsatlakozók számára. Ezzel egyidejűleg az adatátviteli sebességek nőnek, és egyre több adat-, hang- és videoillesztő-szabvány létezik, amelyek mindegyikéhez saját csatlakozó tartozik. A felhasználók azonban továbbra is igénylik az egyszerűséget és a rugalmasságot. A megoldás ezekre a problémákra az USB Type-C™ (vagy röviden és köznapi nevén csak USB-C) fizikai csatlakozó.

Ez a cikk röviden tárgyalja a korszerű csatlakoztatási követelményeket és azt, hogy hogyan lehet azokat az USB-C használatával teljesíteni. Bemutat példákat a Tripp Lite by Eaton cég USB-C dokkolóállomásaira, csatlakozóira és kábeleire, és bemutatja, hogyan lehet ezeket az eszközök csatlakoztatásának egyszerűsítésére használni.

USB-szabványok

Az USB-csatlakozó-szabvány a számítógéphez csatlakoztatható perifériák, például billentyűzetek, egerek és cserélhető memóriák csatlakoztatására szolgáló sín szabványaként indult. Az évek során szabványsorozattá érett, és a számítógépek, perifériák és telefonok vezető csatlakozójává vált. A szabványba bekerült emellett az áramellátás (PD, power delivery), és idővel a szabvány lehetővé tette a különböző protokollok, például a DisplayPort (DP, kijelzőport), az Ethernet és a HDMI bújtatását (alagútban vezetését) is. A legújabb verzió, az USB4 40 Gb/s (gigabit/másodperc) adatátviteli sebességet és akár 240 W-os áramellátást is lehetővé tesz (3.1. módosítás, Rev. 3.1). Emellett továbbra is fenntartja a korábbi szabványos verziókkal, például az USB 3.2-vel és az USB 2.0-val való visszafelé kompatibilitást.

Az USB protokollhoz használt fizikai csatlakozók az eredeti USB-A és USB-B csatlakozóktól és azok különféle változataitól a jelenlegi USB-C csatlakozóig fejlődtek. A 10 Gb/s sebességű adatátvitelt támogató USB 3.2 Gen 2 volt az utolsó olyan USB-szabvány, amely lehetővé tette a régebbi USB-A és USB-B csatlakozók használatát. Az USB 3.2 Gen 2x2 20 Gb/s adatátviteli sebességet tesz lehetővé, és már USB-C csatlakozót követel meg, akárcsak az USB4.

Az USB-C csatlakozó

A fizikai USB-csatlakozókat, amilyen például az USB-C, nem szabad összekeverni az USB-szabványokkal (USB protokollokkal), amilyen például az USB4. A dugók és aljzatok alkotta USB-csatlakozókat az USB Implementers Forum (USB-IF, USB-fejlesztők fóruma) külön szabványosítja. Az USB-C csatlakozók minden átviteli és áramellátó képességük ellenére kicsik, alig valamivel nagyobbak, mint a mikro-USB-A csatlakozók, így jól használhatóak a kis méretű eszközökhöz.

Az USB-C csatlakozónak 24 érintkezője van, amelyek úgy vannak elrendezve, hogy mindkét irányban a megfelelő érintkezők illeszkedjenek egymáshoz, így a csatlakozó fordított irányban is csatlakoztatható. Az USB-C csatlakozó érintkezőkiosztása segít megérteni az USB-szabvány áramellátó, adatátviteli és vezérlési funkcióit (1. ábra).

1. ábra: Az ábrán az USB-C csatlakozó érintkezőkiosztása látható. A megfelelő érintkezők mindkét irányban illeszkednek egymáshoz, így a csatlakozó fordított irányban is csatlakoztatható (ábra: Tripp Lite by Eaton)

Az USB PD egy párbeszédes egyeztetésű áramellátást meghatározó szabvány, amely lehetővé teszi az eszközök számára, hogy a VBUS (áramellátó) és a testérintkezők segítségével egyeztessék az áramforrást, az áramfelvevő eszközt (terhelést) és a szolgáltatott teljesítményszintet. A csatlakozóban négy VBUS áramellátó csatlakozó és négy testérintkező van. A leadható legnagyobb teljesítményszinteket az eszközökben használt USB-szabvány és az eszközök USB PD szabványnak való megfelelése határozza meg. Az USB PD szabvány szerint az áramforrások és a terhelőeszközök közötti áramellátás mértékét a csatornabeállító (Ccx, Channel Configuration) vonalak egyeztetik.

A CCx vonalak az állandó kapcsolat meglétének és a csatornabeállításnak az érzékelésére szolgálnak. Emellett az USB PD útján történő áramellátás szabályozására és jeltovábbításra is használják őket. Az USB PD szabvány szerint a legfeljebb 240 W teljesítmény 48 V tápfeszültség és 5 A áramerősség mellett szolgáltatható. Bár minden USB-C kábel tartalmazza a CCx vonalakat, és támogatja az USB PD szabványt, előfordulhat, hogy az USB PD szabványban meghatározott feszültségek és áramerősségek teljes tartományát nem teszik lehetővé. A felhasználóknak a kábel adatlapján kell megnézniük a támogatott teljesítményszintet.

A csak erre a célra szolgáló D+ és D– vonalak a jelenlegi USB verzióknál kisebb adatátviteli sebességre képes régebbi USB 2.0 szabvánnyal való kompatibilitást tartják fenn.

A kékkel kiemelt érintkezők négy különbségijel-párt tartalmaznak, amelyek két, a SuperSpeed USB-t támogató adatsávot alkotnak. Az USB 3.2 Gen 2x1 esetében 10 Gb/s, az USB 3.2 Gen 2x2 esetében 20 Gb/s, az USB4 Gen 3x2 esetében pedig 40 Gb/s adatátviteli sebesség az elméletileg lehetséges felső határ.

Az oldalsávhasználati (SBU1 és SBU2, Sideband Use) vonalak olyan segédjelek, amelyeket az USB-C szabvány által támogatott alternatív médiaüzemmódokban használnak, hogy lehetővé tegyék a csatlakozókészlet többcélú felhasználását. Az AUX (kiegészítő) csatorna a kapcsolatkezelést és a tesztüzemmód vezérlését kezeli. Az eszközök között egyeztetett áramellátási szint beállítása után az USB PD képes alternatív üzemmódú (Alt Mode) adatkapcsolatokat, például DP-t (kijelzőport) kezdeményezni. Az USB PD az Alt Mode-adategyeztetést a gyártó által meghatározott üzenetek (VDM, vendor-defined message) segítségével végzi az SBU-kapcsolatokon keresztül. A DP Alt Mode-adategyeztetés után a DP a kapcsolatbetanítással folytatja a kapcsolat létrehozását. A DP kapcsolatbetanítása optimalizálja a DP-forrás (áramleadó) és a DP-áramfelvevő közötti kapcsolatot, hogy megbízható kapcsolatot hozzon létre az adatok áramoltatásához. A DP Alt Mode üzemmód lehetővé teszi, hogy az USB-C kábelek USB-adatokat, valamint VGA-, DVI, HDMI- és DP-videojeleket kezeljenek.

A más protokollok USB-n keresztüli küldésére az egyik lehetőség a protokollbújtatás. A protokollbújtatás egy adattovábbító csővezetéket (alagutat) hoz létre a protokollon belül, amelyen keresztül egy másik protokoll küld adatokat a kábelen át. Ezzel a mechanizmussal egy USB-C alagút DP- vagy PCIe-adatokat képes küldeni egyik eszközről a másikra.

USB-C kábelek

Az USB-C kábelek különböző hosszúságúak, teljesítményűek és a használt USB-szabványnak megfelelően különböző adatátviteli sebességűek. A Tripp Lite by Eaton csaknem százféle USB-C kábelt kínál, hogy a funkciók és bővítési lehetőségek széles skáláját biztosítsa az USB-C csatlakozóval ellátott eszközök számára.

Az egyik remek példa a választékból az U520-31N jelű USB4-kábel, amelynek mindkét végén dugó van. Támogatja a DP Alt Mode üzemmódot, és 4K, illetve 8K felbontású és 60 Hz képfrissítési frekvenciájú videók átvitelére alkalmas. Az U520-31N az USB PD szabvánnyal is kompatibilis, és 20 V feszültségen 5 A áramerősséggel 100 W teljesítmény átvitelére alkalmas. A kábel 80 cm hosszú, és 40 Gb/s a névleges legnagyobb átviteli sebessége. Érdemes megjegyezni, hogy az USB-C kábelek legnagyobb átviteli sebessége fordítottan arányos a kábelhosszal.

Összehasonlításképpen az MTB3-01M5-5A-B (2. ábra) egy USB 3.2 Gen 2x2-kompatibilis kábel, amelynek 20 Gb/s a névleges adatátviteli sebessége, és 4K felbontású, 60 Hz képfrissítési frekvenciájú videók átvitelére alkalmas. Az USB4-kábelhez hasonlóan ez is USB PD-kompatibilis, és ugyanúgy 100 W teljesítmény átvitelére alkalmas. Ennek a kábelnek a hossza 1,5 m, ezért kisebb a legnagyobb adatátviteli sebessége.

2. ábra: Az MTB3-01M5-5A-B egy USB 3.2 Gen 2x2 kábel, amely maximum 20 Gb/s adatátviteli sebességre képes (kép: Tripp Lite by Eaton)

USB-C adapterek

Az adapterek a számítógép egyik be- és kimeneti (I/O) portjához vannak csatlakoztatva, és annak protokollját egy másik szabványnak megfelelőre alakítják át. A Tripp Lite by Eaton U436-06N-GB-C jelű eszköze például egy USB-C – gigabites Ethernet közötti átalakítást végző hálózati adapter, amely USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 vagy USB 3.2 Gen 1 szabványú eszközökkel használható, és maximum 5 Gb/s adatátviteli sebességre képes (3. ábra).

3. ábra: Az U436-06N-GB-C egy USB-C – gigabites Ethernet közötti átalakítást végző adapter USB-C töltőporttal (kép: Tripp Lite by Eaton)

A bemeneti csatlakozó egy USB-C dugó, a kimeneti pedig egy Ethernet RJ-45 aljzat. Az adapter tartalmaz egy USB-C csatlakozót is, amely maximum 60 W (20 V mellett 3 A) teljesítmény leadására képes. Ez az adapter lehetővé teszi, hogy a csak USB-C csatlakozóval ellátott számítógépek vezetékes Ethernet-kapcsolatot használjanak, ha vezeték nélküli kapcsolat nem érhető el, vagy túl lassú.

Mivel az USB-szabvány számos különböző protokollt képes kezelni, természetes, hogy többportos adapterek is megjelentek. Ezek az adapterek gyakran olyan adatkommunikációs portokkal vannak ellátva, amelyek a kisebb hordozható számítógépekben manapság már nem találhatók meg.

Jó példa erre az U444-06N-H4GUC2 jelű eszköz. Ez az adapter lehetővé teszi a digitális hangátvitelt, 4K felbontású, 60 Hz képfrissítési frekvenciájú videók átvitelét, az USB PD áramellátást, valamint a gigabites Ethernet használatát a számítógép USB-C portjáról (4. ábra).

4. ábra: Az U444-06N-H4GUC2 többportos adapter HDMI- és Ethernet-csatlakozóval, USB-C töltőporttal és USB-A porttal bővíti a számítógépet (kép: Tripp Lite by Eaton)

Az U444-06N-H4GUC2 USB-A portja 7,5 W (5 V mellett 1,5 A), míg az USB-C töltőport 25 W (5 V mellett 5 A) leadására képes.

A dokkolóállomások a hordozható számítógépet munkaállomássá alakítják át

A dokkolóállomások az USB-C csatlakozón keresztül több porttal bővítik a számítógépeket, és ezzel lényegében többfunkciós munkaállomássá alakítják át azokat. A Tripp Lite by Eaton U442-DOCK2-S jelű USB-C dokkolóállomás például az alábbi csatlakozókat tartalmazza: HDMI, mini DP, VGA, Ethernet, SD- és microSD-memóriakártya, USB-C áramellátás és három USB-A (5. ábra). A készüléken 3,5 mm-es fejhallgatóaljzat is található.

5. ábra: Az U442-DOCK2-S USB-C dokkolóállomás többek közt hang-, videó-, memóriakártya-, USB- és Ethernet-csatlakozóval bővíti a számítógépről elérhető portok számát és típusát (kép: Tripp Lite by Eaton)

A mini DP és a HDMI port 4K x 2K felbontású, 30 Hz képfrissítési frekvenciájú videók, a VGA port pedig az 1080P felbontású, 60 Hz képfrissítési frekvenciájú videók átvitelét teszi lehetővé. Az Ethernet RJ-45 csatlakozó 10/200/1000 Mb/s (megabit/másodperc) sebességű Ethernet-kapcsolatra alkalmas. A három USB-A csatlakozót USB-s perifériák, például billentyűzet, egér, USB-memória (tollmemória, a magyarban is elterjedt angol nevén pen drive), nyomtató vagy okostelefon csatlakoztatására lehet használni. Ezek legfeljebb 7,5 W egyenáramú teljesítményt szolgáltatnak (5 V mellett 1,5 A). A kétirányú USB-C töltőport maximum 60 W (20 V mellett 3 A) teljesítmény leadására képes.

A számítógép USB-C portja az USB-szabvány többprotokollos képességét kihasználva teszi lehetővé ilyen sokféle csatlakozó használatát.

Összegzés

Az USB-C csatlakozók akár 40 Gb/s adatátviteli sebességet és 120 W PD-áramellátást is lehetővé tesznek, és fordítva is csatlakoztathatóak. A Tripp Lite by Eaton az USB-C-s eszközök széles választékát kínálja kábelek, adapterek és dokkolóállomások formájában, hogy segítsen kihasználni az USB-C nyújtotta képességeket, és lehetővé tegye az egyetlen USB-C csatlakozó kínálta csatlakozási lehetőségeket és hatékony funkciókat.