Tento článek popisuje vlastnosti konektorů USB typu C a jejich potencionální aplikace. Představí USB konektory od společnosti Amphenol ICC, které podporují všechny pokročilé funkce uvedené v USB specifikaci a zároveň zlepšují vlastnosti v oblasti elektromagnetické kompatibility a zlepšují spolehlivost i mechanickou integritu konektoru.

Konektor USB4 Gen 3 typu C

Konektor USB typu C a jeho protikus jsou specifikovány v dokumentu „ USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.1“,  který je k dispozici bezplatně na webu USB-IF. Konektor USB-C používá 24 pinů a poskytuje USB Power Delivery (USB PD), přenos dat, audio a video výstup v jednom konektoru. Největším rozdílem konektoru USB-C oproti jeho předešlé verzi je to, že ho lze zasunout i vzhůru nohama, a stále bude fungovat. To znamená, že je tzv. reverzibilní. Tuto vlastnost ocení uživatelé, kteří měli problémy se zasunutím starých konektorů USB-A. Tato vlastnost je vidět při pohledu konektor USB-C (obrázek 1).

Prostřední znázornění pinů (Type-C Recepltancle) patří konektoru „samice“ – zásuvka. Dále jsou zobrazeny dvě orientace konektrou  „samec“ – zástrčka. Horní je normální orientace a spodní ukazuje zástrčku otočenou o 180°. Bez ohledu na otoční konektoru je vidět, že odpovídající signály při zasunutí se propojí s příslušnými piny.

Obrázek 1: Piny konektoru USB-C „samce“ – zástrčky (nahoře a dole) a „samice “ - zásuvky (uprostřed). Otočení konektoru „samce“ o 180 ° nemá vliv na správné propojení signálních cest. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Jednotlivé piny v konektorech USB-C je možné přiřadit do určité skupiny, které jsou v tabulce 1 rozlišeny různými barvami. Vysokorychlostní diferenciální signální piny označeny světle modrou barvou mohou podporovat přenosové rychlosti až 40 Gb / s a ​​používají se jak pro USB4, tak pro alternativní režimy a tunelové protokoly.

Tabulka 1: Jednotlivé piny konektoru USB4 jsou roztříděny dle funkčnosti. Jedná se o skupinu pinů pro vysokorychlostní přenos, piny určené přímo pro USB 2, řídící a napájecí signál a další. (Zdroj tabulky: Art Pini)

USB4 podporuje nejen usb protokol, ale také tzv. alternativní režimy, mezi které patří Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) a High-Definition Multimedia Interface (HDMI).

Další protokoly alternativního režimu lze definovat a povolit prostřednictvím handshake protokolu USB PD pomocí strukturovaných zpráv definovaných pomocí tzv. vendor-defined messages (VDM). USB PD (USB Power Delivery) umožňuje zařízením vyjednat úroveň výkonu, který má být dodáván zdrojem.

USB4 podporuje maximální úroveň výkonu 100 W při 20 V při 5 A. Tato funkce vyžaduje programovatelné napájení. Řízení výkonu a aktivní kabely umožňují rychlé nabíjení. „Vyjednávání“ o velikosti napájení probíhá přes konfigurační kanál označovaného CC (Configuration channel) pomocí dvoufázového kódování rychlostí 300 kilobaud polo-duplexně.

Existuje mnoho výhod používání společného konektoru pro všechny různé protokoly pokrývající aplikace pracující se zvukem, videem, ukládáním dat a datovou komunikací. Díky propracovanému rozložení pinů, lze definovat nové protokoly, které zjednodušují propojení jednotlivých zařízeních. Například vysokorychlostní a USB 2 datové linky jsou diferenciální, aby se minimalizoval přeslech a elektromagnetické rušení EMI. Kromě toho jsou všechny datové linky vedeny mezi energetickými a zemními sběrnicemi, aby byla zajištěna dostatečná izolace.

Vlastnosti konektoru USB4 Gen 3 od Amphenolu

Společnost Amphenol ICC představila čtyři USB4 Gen 3 zásuvky (obrázek 3). Jedná se o zásuvky nové generace, které splňují nároky na vysoké přenosové rychlosti až 40 Gbit / s a ​​jsou kompatibilní s USB PD, přičemž rozhraní Thunderbolt kombinuje nabíjení, tunelování USB a přenos dat PCIe prostřednictvím jediného typu C konektoru. Tyto konektory také podporují video i audio DisplayPort s 4K ultra vysokým rozlišením (UHD) při obnovovací frekvenci 60 Hz.

Významnou funkcí těchto konektorů je jejich schopnost dynamicky optimalizovat šířku pásma při přenosu videa. Standardně jsou nové konektory USB4 zpětně kompatibilní a podporují předchozí verze USB, včetně USB 2, 3.1 a 3.2. Díky malým rozměrům a funkční univerzálnosti jsou konektory ideální volbou pro nové technologie.

Mechanická konstrukce zaručuje vyšší odolnost a spolehlivost

Zásuvky Amphenol ICC USB4 jsou navrženy tak, aby poskytovaly spolehlivou kvalitu přenosu dat i po 10 000 párovacích cyklech. Jsou vyrobeny z vysoce kvalitní slitiny mědi a kovu, a tím vodivé cesty nabízí velmi nízký kontaktní odpor 40 mΩ a jsou schopny přenést výkon až 100 W s proudem až 5 A. Konektory mají vylepšenou boční stěnu desky, která maximalizuje kontaktní plochu a stabilizuje propojení kontaktů. Tím se zabrání zbytečnému kroucení a poškozování jednotlivých pinů (obrázek 2).

Obrázek 2: Vylepšený design konektorů Amphenol ICC USB4 poskytuje kvalitní připojení „bez kroucení“ s lepší ochranou EMI a vylepšenou mechanickou ochranou proti nesprávnému zasunutí. (Zdroj obrázku: Amphenol ICC)

Vylepšené mechanické vlastnosti zahrnují i prodlouženou bočnici, která sahá až k rohu jazýčku zásuvky, aby se zabránilo zasunutí zástrček micro USB. Boční stěna je uzemněna se střední deskou, a to poskytuje další stínění a snížení elektromagnetického rušení EMI.

Přidané vodící prohlubně na vnitřní straně pláště vedou zástrčku a udržují správnou polohu těla zástrčky během zasouvání. Celá mechanická sestava poskytuje stabilní zajištění a maximální překrytí styčné plochy vodivých cest, čímž se minimalizuje odpor kontaktu. Velkou výhodou je silné slyšitelné „cvaknutí“, které signalizuje úplné zasunutí.

Co nabízí Amphenol ?

V nabídce produktů Amphenol ICC jsou čtyři zásuvky USB4 typu C (obrázek 3).

Obrázek 3: Zásuvky Amphenol ICC USB4 Gen 3 typu C obsahují tři verze s horní montáží a jednu verzi se střední montáží (konektor je zapuštěn do desky). (Zdroj obrázku: Amphenol ICC)

Zásuvka GSB4D313302Y1HR je určena pro horní montáž. Její tvar je oválný a je aktuálně certifikována dle USB-IF. Tento konektor je doporučen společností Intel pro použití technologie Thunderbolt 4. Jeho vnější plášť má jednotný průřez zepředu dozadu s výškou středu 1,58 mm (vzdálenost od montážní roviny k jazyku konektoru).

Zásuvky 12402056E512A a 12402073E512A jsou také zásuvky s horní montáží, ale mají obdélníkový vnější plášť se středovou výškou 1,57 mm.

Zásuvka 12402075E512A je určena pro střední montáž, čili zásuvka je zapuštěna do desky plošných spojů. Díky zapuštění se dosáhne výšky středu pouze 0,47 mm.

Všechny tyto zásuvky jsou dimenzovány pro provoz v teplotním rozsahu od -40 °C do + 85 °C, a to z nich činí dobrou volbu pro použití ve vozidle.

Kde se uplatní konektory USB4 Gen 3 ?

Konektory najdou použití v úložištích, automobilovém informačním a zábavním systému, domácí chytré aplikaci, dokování, připojení monitorů, displejů či projektorů, notebooků a tabletů. Malá velikost konektorů, podpora více režimů a řízení výkonu nabízí obrovskou všestrannost.

Závěr

Konektor USB typu C, který je schopen zpracovávat více vysokorychlostních protokolů a přenášet dostatečný výkon se uplatní v celé škále aplikací. S USB4 získají uživatelé alternativní režimy a podporu tunelování. Tato vylepšení zajistí širší přijetí USB4 v rozmanitějších a potenciálně drsnějších prostředích a aplikacích. Zásuvky Amphenol ICC USB4 jsou navrženy tak, aby překračovaly základní specifikaci USB-IF, snižovaly účinky EMI a zajišťovaly spolehlivé připojení i po deseti tisících cyklech rozpojení v širokých teplotních rozsazích.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini.