Omówienie standardu USB Type-C w projektach służących tylko do zasilania

Od czasu wprowadzenia standardu USB w 1996 roku, złącza USB i związane z nimi standardy przeszły na przestrzeni lat wiele zmian pod względem kształtu, szybkości transmisji danych i możliwości w zakresie przesyłania energii. Kiedy w 2014 roku na rynek wszedł standard USB Type-C®, był to najnowocześniejszy standard fizyczny, zapewniający użytkownikom większe możliwości i elastyczność dzięki dwukierunkowej, odwracalnej obudowie, większej prędkości przesyłania danych i lepszym parametrom przesyłania energii. Złącze USB wiąże się z następującymi trzema różnymi, ale powiązanymi ze sobą standardami: złączy fizycznych, protokołu transmisji danych i przesyłu energii. Często jednak pojawia się zamieszanie, jeśli chodzi o relację między tymi standardami. Zanim omówimy nowy trend w złączach USB Type-C służących tylko do zasilania, warto objaśnić połączenia stosowane w różnych standardach USB.

Zrozumienie standardów USB

Najnowszy standard USB Type-C zasadniczo definiuje tylko fizyczne złącze, które znajduje się w wielu współczesnych telefonach komórkowych i urządzeniach elektronicznych. Protokoły przesyłania danych, takie jak USB 3.2, a nawet współczesny USB4, dotyczą wyłącznie sygnału elektrycznego. Chociaż często wykorzystuje się je razem, inżynier może stworzyć system przy użyciu protokołu przesyłania danych USB 3.2 i własnego złącza, które nie jest zgodne z fizycznym standardem złącza USB.

To samo dotyczy specyfikacji USB Power Delivery (PD). Ze względu na konstrukcję złącze USB Type-C obsługuje znamionowe natężenie do 5A i napięcie do 20V₌, umożliwiając przesyłanie mocy do 100W, zgodnie ze specyfikacjami USB PD 3.0. Od czasu wprowadzenia w 2021 roku, moc przenoszona przez złącza Type C w standardzie USB PD 3.1 wzrosła do 240W. Podczas gdy złącza USB Type-C mogą obsługiwać USB PD, standard Power Delivery jest w rzeczywistości zależny od obwodu ładowania i ograniczony tylko przez możliwości fizycznego złącza pod względem napięcia i natężenia. Jednakże zwiększona moc obsługiwana przez złącza USB Type-C otworzyła przed tym standardem nowe obszary zastosowań w zasilaniu.

Ilustracja 1: zwiększanie poziomów mocy złączy USB (źródło ilustracji: Same Sky)

Zalety złącza USB Type-C w układach zasilania

Dzięki wykorzystaniu szesnastu styków do przesyłu danych, czterech styków do zasilania i czterech styków do masy, standardowe 24-stykowe złącze USB Type-C może przenosić moc do 240W. To sprawia, że złącze USB Type-C jest ciekawym rozwiązaniem do zastosowań związanych z zasilaniem i ma potencjał zastąpienia standardowego złącza zasilającego, nawet gdy nie jest potrzebne przesyłanie danych.

Jedną z głównych zalet wykorzystywania standardu USB do zasilania jest standaryzacja. Złącza USB są szeroko stosowane w wielu różnych branżach, a złącze Type-C jest coraz popularniejsze jako uniwersalne złącze w telefonach i urządzeniach mobilnych. Z tego powodu Unia Europejska podjęła już decyzję o wykorzystaniu złącza USB Type-C jako standardu dla wszystkich przyszłych urządzeń dystrybuowanych w granicach Unii. Dla użytkownika końcowego oznaczałoby to wygodę posiadania tylko jednego, gotowego kabla do połączenia różnych produktów. Przyniosłoby to również korzyści dla producentów OEM ze względu na stabilny łańcuch dostaw, ponieważ złącza USB są powszechnie dostępne, a ich standaryzacja zapewnia wysoki poziom interoperacyjności. Standaryzacja zmniejszyłaby również wyzwania związane z integracją projektów. Ponadto złącza USB Type-C są zazwyczaj sprzedawane w mniejszych paczkach niż różne złącza cylindryczne, a także oferują wysoką niezawodność i dłuższą żywotność przy wartości znamionowej 10 tysięcy cykli łączenia.

Złącza USB Type-C służące tylko do zasilania

Ze względu na wymienione powyżej zalety, firma Same Sky opracowała gniazda zasilające USB Type-C do zastosowań, w których jedynym przeznaczeniem jest ładowanie lub dostarczanie energii. Gniazda USB Type-C firmy Same Sky służące tylko do zasilania o mocy 60W nie posiadają szesnastu styków do przesyłu danych i dwóch styków masowych, pozostawiając jedynie cztery styki zasilania i dwa styki masy.

Ilustracja 2: 24-stykowe gniazdo Type-C oraz 6-stykowe gniazdo służące tylko do zasilania (Źródło ilustracji: Same Sky)

Dzięki usunięciu szesnastu styków uproszczona sześciostykowa konstrukcja złącza pozwala znacząco zredukować koszty w porównaniu ze standardowym 24-stykowym złączem Type-C. Prowadzi to nie tylko do obniżenia kosztu części, ale także zmniejszenia złożoności i awaryjności, ponieważ zmniejsza się liczba styków i związanych z nimi połączeń lutowanych. Chociaż złącza USB Type-C służące tylko do zasilania nie pozwalają na przesył danych, są one nadal kompatybilne z każdym standardowym kablem USB Type-C do przesyłania danych. Zwiększa to wygodę, ponieważ do połączenia złącza i kabla nie potrzeba żadnego dodatkowego sprzętu ani innych wymagań.

Należy pamiętać, że po usunięciu wtyków do przesyłania danych proces negocjowania zasilania standardu USB 3.0 nie zachodzi, co oznacza, że urządzenie ładujące powróci do standardowych parametrów 5V i 1A przesyłania mocy dla standardu USB. We wszystkich innych przypadkach złącze będzie działać jak każde inne gniazdo zasilania z ładowaniem regulowanym przez adapter lub obwód ładowania.

Inne potrzeby i projekty związane z zasilaniem

Chociaż rozwiązanie to jest odpowiednie dla wielu zastosowań i projektów, nadal jest miejsce dla dedykowanych opcji przesyłania energii, takich jak złącza zasilające prądu stałego. Przede wszystkim, ze względu na ograniczenie mocy do 240W, złącza USB Type-C po prostu nie nadają się do projektów wymagających mocy powyżej 240W. Mimo to standard USB PD 3.1 oferuje wyższe moce zasilania w porównaniu z wcześniejszym ograniczeniem do 100W. Modele o standardowych kształtach i wymiarach oferują liczne korzyści, jednak w niektórych sytuacjach bardziej odpowiednią opcją byłyby inne kształty lub typy obudów. Innymi słowy, gdy potrzebne jest złącze o specyficznych wymaganiach, zastosowanie złącza USB Type-C może być nieodpowiednie ze względu na standaryzowane rozmiary i ograniczenia. Więcej informacji na temat tego, kiedy najlepszym rozwiązaniem mogą być inne złącza zasilające można znaleźć na blogu firmy Same Sky w artykule na temat wyboru złączy zasilających prądu stałego.

Przyszłość złączy USB Type-C

Złącza USB Type-C i ich powszechne zastosowanie dają inżynierom nowe możliwości w zakresie zarządzania energią i jej przesyłu. Chociaż nie jest to rozwiązanie idealne, zakres mocy do 240W i globalna standaryzacja zapewnią złączu USB Type-C mocną pozycję w szerokiej gamie produktów i zastosowań. Dzięki niskiemu kosztowi i uproszczonej integracji projektowej, gniazda USB Type-C firmy Same Sky służące tylko do zasilania stanowią dla inżynierów atrakcyjną opcję, gdy jedyną funkcją jest dostarczanie energii.

Firma Same Sky oferuje obecnie poziome lub pionowe gniazda USB Type-C obsługujące tylko zasilanie o mocy 60W, maksymalnym prądzie znamionowym 3A i napięciu znamionowym 20V₌.