USB Typ C und USB 3,1 Gen 2 – Erklärung der Verbindung

13. Februar 2018 verfasst von Bruce Rose

USB Typ C und USB 3,1 Gen 2 – Erklärung der Verbindung

USB-Standards gibt es bereits seit vielen Jahren und sie entwickeln und verbessern sich, je mehr die technologischen Bedürfnisse und Fähigkeiten steigen. Das USB Implementers Forum (USB-IF) hat kürzlich technische Daten für den USB-Typ-C-Anschluss und den USB-3,1-Gen-2-Signalstandard (auch als SuperSpeed+ bezeichnet) veröffentlicht. In der nachfolgenden Tabelle ist der Fortschritt der USB-Signalstandards von USB 1,0 bis USB 3,1 Gen 2 und die verschiedenen Modi und Datenübertragungsraten zu sehen. Der USB-Typ-C-Anschluss enthält im Vergleich zu früheren Anschlussstandards außerdem viele Funktionserweiterungen. Durch das Verständnis dieser Verbesserungen können Ingenieure diesen Anschluss und die verschiedenen Signalspezifikationen in der richtigen Weise verwenden, um die Leistung in ihrem Design zu verbessern.

Name der Veröffentlichung Datum der Veröffentlichung Modus Abkürzung Bruttodatenrate
USB 1,0 Januar 1996 Langsame Geschwindigkeit LS 1,5 Mbit/s (187,5 KB/s)
Volle Geschwindigkeit FS 12 Mbit/s (1,5 MB/s)
USB 1,1 Januar 1998 Häufige Probleme von USB 1,0 behoben. Datenraten blieben gleich.
USB 2,0 April 2000 Hohe Geschwindigkeit HS 480 Mbit/s (60 MB/s)
USB 3,0* November 2008 SuperSpeed SS 5 Gbit/s (625 MB/s)
USB 3,1 Gen 2 Juli 2013 SuperSpeed+ SS+ 10 Gbit/s (1,25 GB/s)
*USB 3,0 jetzt allgemein als USB 3,1 Gen 1 bezeichnet

Missverständnisse zwischen USB Type C und USB 3,1 Gen 2

Bei der Erörterung der Beziehung zwischen USB-Typ-C- und USB-3,1-Gen-2-Anschlüssen treten häufig Verwirrungen auf. Der USB-Typ-C-Standard definiert nur den physischen Anschluss, während der USB-3,1-Gen-2-Standard nur für das elektrische Signal gilt. Während sich die meisten Systemdesigner dazu entscheiden werden, USB-3,1-Gen-2-Signale über USB-Typ-C-Anschlüsse und -Kabel zu kommunizieren, ist es möglich, USB-3,1-Gen-2-konforme Signale über einen Anschluss zu übertragen und zu empfangen, der nicht der USB-Typ-C-Spezifikation entspricht. Ein Produktdesigner kann eine solche Konfiguration mit dem Signalstandard USB 3,1 Gen 2 und den eigenen proprietären Anschlüssen implementieren, wenn er das System von anderen Systemen isolieren oder sicherstellen möchte, dass proprietäre Hardware verwendet wird.

In ähnlicher Weise kann ein USB-Typ-C-Anschluss zum Übertragen und Empfangen von Signalen verwendet werden, die nicht den USB-Signalstandards entsprechen. Diese Implementierung profitiert von der breiten Verfügbarkeit und den geringen Kosten der USB-Typ-C-Anschlüsse und -Kabel, birgt jedoch das Risiko, dass das nicht konforme proprietäre System mit einem System verbunden wird, das dem USB-3,1-Gen-2-Standard entspricht und eines oder beide Systeme beschädigt.

Es sollte beachtet werden, dass USB-Standards auch die Übertragung von Legacy-USB-Signalisierungskonfigurationen (vor USB 3,1 Gen 2) über USB-Typ-C-Anschlüsse und -Kabel ermöglichen. Bei diesen Konfigurationen wird den Systemen kein Schaden zugefügt und eine ordnungsgemäße Strom- und Datenübertragung wird stattfinden, wenn die Systeme die gemeinsamen Kommunikations- und Stromkonfigurationen aushandeln.

USB-Typ-C-Vorteile

Der USB-Typ-C-Anschluss wurde entwickelt, um im Vergleich zu früheren Generationen eine Reihe von Vorteilen zu bieten. Verbesserungen umfassen eine kleinere Gehäusegröße, mehr Leiter, höhere Spannungswerte, höhere Strombelastbarkeiten und größere Signalbandbreiten. Die reduzierte Größe der USB-Typ-C-Stecker und -Buchsen ermöglicht den Einsatz in einer breiteren Palette von Anwendungen, bei denen Platz ein Problem gewesen wäre. Zusätzlich spielt die Orientierung der Stecker und Buchsen beim Anschluss keine Rolle mehr, was ein schnelleres und einfacheres Einsetzen der Stecker in die Buchsen ermöglicht.

Diagramm, in dem die Anzahl der Leiter in USB Typ A, Typ B und Typ C verglichen wird
Vergleich von Leitern in USB-Typ-A, -B und -C-Anschlüssen

Während USB-Typ-A- und Typ-B-Anschlüsse jeweils vier oder fünf Leiter angeben, verwenden USB-Typ-C-Anschlüsse 24 Kontakte und eine erhöhte Lebensdauer von bis zu 10.000 Einführungs- und Extraktionszyklen, verglichen mit 1.500 Steckzyklen für Standard-USB-Typ-A-Steckverbinder. In einem USB-Typ-C-Anschluss befinden sich jeweils vier Leistungs- und Massekontakte, so dass insgesamt 5 A Strom fließen können. Zusätzlich zu den höheren Strombelastbarkeiten sind USB-Typ C-Anschlüsse auch für 20 V zwischen den Leistungs- und Erdungsstiften ausgelegt, was eine Leistungsübertragung von 100 W ermöglicht. Die USB-Power-Delivery-Spezifikationen (PD-Spezifikationen) liefern Informationen über die Implementierung der höheren Leistungsstufen, die über USB-Typ-C-Anschlüsse verfügbar sind. Genau wie USB Typ C und USB 3,1 Gen 2 zwei separat definierte Standards sind, ist zu beachten, dass USB Typ C und USB PD die gleiche Beziehung haben. Obwohl ein USB-Typ-C-Anschluss den USB-PD-Standard unterstützt, müssen der Host-Controller und das Kabel des Geräts so konfiguriert sein, dass sie den Standard unterstützen.

Technische Daten Maximale Leistung Maximale Spannung Maximaler Strom
USB 2,0 25 W 5 V 500 mA
USB 3,0 und 3,1 4,5 W 5 V 900 mA
USB BC 1,2 7,5 W 5 V 1,5 mA
USB Typ C 1,2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3,0 100 W 20 V 5 A
USB-Power-Delivery-Spezifikationen

Schließlich unterstützen USB-Typ-C-Anschlüsse einen Datentransfer von 10 GBit/s über jeweils zwei Datenpin-Paare. Diese Bandbreitenunterstützung ermöglicht weiterhin Datenübertragungsraten von 20 GBit/s, wenn beide Datenpin-Paare wie in den von USB-IF am 22. September 2017 angekündigten USB-3,2-Standards verwendet werden.

Optimieren für USB 3,1 Gen 2

Wie bereits erwähnt, definiert die USB-3,1-Gen-2-Spezifikation einen Satz von Daten- und Leistungssignalen und die Eigenschaften dieser Signale. Sie befasst sich jedoch nicht mit den Kabeln, die in Verbindung mit den Signalen verwendet werden. Es sollte auch beachtet werden, dass die Kabel, die zum Transport der USB-3,1-Gen-2-Signale verwendet werden, Strom-, Spannungs- und Signalintegritätseigenschaften aufweisen müssen, die ausreichen, um mit USB-3,1-Gen-2-Signale umgehen zu können, ohne sie zu verschlechtern. Obwohl die USB-3,1-Gen-2-Spezifikation Übertragungsraten von 10 Gbit/s unterstützt und USB-Typ-C-Anschlüsse für Signalintegrität bei und jenseits dieser Geschwindigkeiten ausgelegt sind, können die Länge des Kabels und die Qualität der Kabelkonstruktion Faktoren zur Begrenzung der Kommunikationsbandbreite sein.

USB-Typ-C-Montagekonfigurationen

Zwei Versionen von USB-Typ-C-Buchsen stehen zur Verfügung und ermöglichen es Ingenieuren, den Stecker auf der Oberseite der Leiterplatte (SMT) oder in einem ausgefrästen Bereich auf der Leiterplatte (Mid-Mount) zu montieren. Die SMT-Version der Buchse schreibt die Höhe der Leiterplatte und des Steckverbinders im Produktdesign vor. Die Mid-Mount-Version der Buchse ermöglicht eine kompaktere Konstruktion, beseitigt jedoch die Möglichkeit, Leiterbahnen unter dem Stecker zu platzieren.

Diagramm von USB-SMT- und Mid-Mount-Konfigurationen
USB-SMT- und Mid-Mount-Konfigurationen

Fazit

USB-Standards werden weithin für Signale, Verbinder und Kabel verwendet. Die kürzlich veröffentlichten Spezifikationen für USB 3,1 Gen 2 und den USB-Typ-C-Anschluss ermöglichen standardisierte Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung mit hoher Leistung. Konforme USB-C-Stecker und -Buchsen von CUI unterstützen USB-3,1-Gen-2-Datenübertragungsraten und ermöglichen darüber hinaus die Kommunikation über die derzeitige 10-Gbit/s-Grenze hinaus, da sich die Standards ständig weiterentwickeln.

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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