USB Type-C™, USB PD y USB 3.1 Gen 2: Nuevos estándares en velocidad y potencia

Por Bruce Rose, CUI Inc.

“Más rápido, más alto, más fuerte”, dice el legendario lema olímpico, adaptado ahora a la industria electrónica como “Más rápido, más pequeño y más fácil de usar”: el grito de guerra para un nuevo estándar en conectividad USB.

Es posible que ya haya visto una nueva generación de productos informáticos en la tienda con los últimos puertos USB Type-C (USB-C™), una tendencia que se espera que aumente significativamente en el futuro debido a la capacidad única del USB-C para transmitir datos, alimentación e incluso audio a través de una sola conexión por cable. Según ABI Research, empresa de análisis de mercado, ya hemos alcanzado el punto clave para el USB Type-C, con envíos globales de teléfonos inteligentes equipados con este conector USB que se estima alcanzarán los 830 millones en 2021. Con solo 9 mm de ancho y 3,5 mm de alto, es ciertamente más pequeño que sus predecesores y permite a los fabricantes de equipos crear dispositivos aún más pequeños. Su llegada a escena también está perfectamente sincronizada para satisfacer las necesidades de los grupos de productos emergentes, como la automatización del hogar, así como los dispositivos de Internet de las Cosas (IoT), como los sensores inteligentes, que encajan a la perfección con este último paquete de conectores, que es más pequeño y menos voluminoso.

Fácil de usar

El cable para aplicaciones USB-C se puede insertar por ambos extremos, y puede soportar la potencia necesaria para un dispositivo como una computadora portátil, lo que elimina la necesidad de llevar numerosos cables para usos diferentes.

Esta versatilidad agregada se facilita con una mayor complejidad dentro del conector (Figura 1). Para empezar, tiene más conductores. A diferencia de los conectores USB Tipo-A y Tipo-B, que requieren cuatro o cinco conductores, el USB-C consta de 24 contactos que permiten la inserción bidireccional, y admite cuatro pares de alimentación y a tierra, junto con dos pares de señales. Además, su durabilidad aumenta a 10 000 inserciones, en comparación con las 1500 de las versiones anteriores.

Imagen de la especificación del conector USB-C

Figura 1: La especificación del conector USB-C es más exigente que los estándares anteriores (Fuente de la imagen: CUI Inc).

Los pares de alimentación y a tierra para USB-C están clasificados para voltajes de hasta 20 V, así como una corriente nominal que se incrementa para proporcionar una clasificación general de 5 A; esto se combina para transferir potencia de hasta 100 W a través de una sola conexión USB-C. Además, cada par de pines de datos puede gestionar velocidades de transferencia de datos de hasta 10 Gbps, lo que significa que el conector tiene una capacidad combinada total de 20 Gbps.

Últimas especificaciones de datos y alimentación de USB-IF

Las últimas especificaciones de datos y alimentación de USB-IF requieren de los significativos aumentos de capacidad que se observan en el USB-C, especialmente en las especificaciones de datos de alta velocidad de entrega de alimentación (PD) de USB (USB PD), USB 3.1 Gen 2 y USB 3.2 recientemente finalizadas:

  • USB PD aprovecha los cuatro pares de alimentación y a tierra para utilizar toda la capacidad de transferencia de energía de 100 W del USB-C.
  • USB 3.1 Gen 2 utiliza un conjunto de líneas de datos para definir una velocidad de transferencia de 10 Gbps.
  • Asimismo, USB 3.2 controla ambos conjuntos de líneas de datos de 10 Gbps para mantener transferencias de hasta 20 Gbps.

Conceptualmente, es importante mantener separado el estándar USB-C, que define solo la conexión física, desde el USB PD y de los datos de alta velocidad (que incluye el USB 3.1 Gen 1 [SuperSpeed] y el USB 3.1 Gen 2 [SuperSpeed +] junto con las especificaciones del USB 3.2).

Por ejemplo, aunque el conector USB-C está diseñado para soportar el estándar USB PD, sigue siendo necesario un controlador host compatible con USB PD para poder negociar y gestionar la entrega de alimentación a los dispositivos conectados. Además, el cable debe estar configurado para ser compatible con el estándar.

El USB PD es mucho más que un simple aumento de potencia. También facilita la entrega de alimentación bidireccional, lo que les brinda a los usuarios mucha más flexibilidad en la carga y la alimentación de sus dispositivos. Además, el flujo simultáneo de alimentación y datos es ahora posible gracias a la capacidad de USB PD para realizar negociaciones de potencia a través de la conexión VBUS en lugar de utilizar conexiones de datos. La Tabla 1 muestra cómo las capacidades de transferencia de USB se han incrementado a través de las generaciones recientes.

Especificación Potencia máx. Voltaje máx. Corriente máx.
USB 2.0 2,5 W 5 V 500 mA
USB 3.0 y 3.1 4,5 W 5 V 900 mA
USB BC 1.2 7,5 W 5 V 1,5 A
USB Tipo-C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 20 V 5 A

Tabla 1: Especificaciones de la entrega de alimentación USB

Cuando se trata de especificaciones de datos de alta velocidad, USB 3.1 Gen 2 define las señales de datos y alimentación, pero no especifica la conexión física. Esto allana el camino para poder conectar equipos USB 3.1 Gen 2 que comunican hasta 10 Gbps mediante el uso de conectores y cables heredados de Tipo-A o Tipo-B, siempre y cuando tengan suficientes características de integridad de corriente, tensión y señal. Del mismo modo, los conectores USB-C pueden utilizarse para suministrar estándares de conexión heredados, como USB 2.0, mediante el uso de simples adaptadores de hardware.

Hacer conexiones

Evidentemente, no todos los conectores USB-C o conjuntos de cables se crean de la misma manera, y los productos de calidad superior ofrecen un mayor rendimiento, demostrado mediante una comunicación más fiable a través de longitudes de cable más largas.

Además de tener en cuenta la calidad de los materiales y los conectores USB-C seleccionados para los productos futuros, los diseñadores tienen la opción de dos versiones de receptáculos de Type-C; véase la Figura 2. Convencionalmente, los receptáculos de tecnología de montaje en superficie (SMT) estándar se colocan en la parte superior de una placa CI. Sin embargo, esto crea una situación en la que la altura total ensamblada es la suma del espesor de la placa CI y la altura del conector. Alternativamente, el tipo de conector de montaje central se puede instalar en una ranura que se ha mecanizado en la placa CI, si bien esto permite una altura de montaje general más baja, el tipo de montaje central no permite la oportunidad de orientar las trayectorias de señales por debajo del conector.

Imagen de los conectores SMT y USB-C de montaje central

Figura 2: Conectores SMT y USB-C de montaje central (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

Conclusión

Los conectores USB Type-C están ganando rápidamente popularidad en el mundo de la electrónica de consumo. Para satisfacer esta creciente demanda, el fabricante de componentes electrónicos CUI ofrece una gama de conectores y receptáculos USB Type-C de alta calidad tanto en el tipo de tecnología de montaje en superficie (SMT) como en el tipo de montaje central. Estos conectores están diseñados para soportar velocidades de comunicación definidas en las especificaciones USB 3.1 Gen 2, al mismo tiempo que satisfacen las necesidades de los diseñadores tanto ahora como en el futuro.

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Información sobre el autor

Bruce Rose, CUI Inc.

Artículo redactado por Bruce Rose, ingeniero de aplicaciones principales, CUI Inc.