USB-liitäntä on levinnyt jo kaikkialle. Lähes jokainen älypuhelimen käyttäjä on jossain vaiheessa tuijottanut liitäntäporttia miettien, latautuuko puhelin ja kuinka nopeasti. Uusi USB4-versio tuo tähän helpotusta ja vähentää huonoja käyttökokemuksia. Älykkään viestinnän avulla USB4-väylään kytketyt laitteet voivat sopia keskenään tehonsyötön tärkeimmistä yksityiskohdista.

USB-väylän (Universal Serial Bus) kautta tapahtuvaan tehonsyöttöön on tulossa helpotusta teollisuuden omaksuessa USB PD -standardeja (Power Delivery), ja uusi USB4-liitäntä jatkaa tätä kehityssuuntaa. Monissa uusissa käyttökohteissa parhaaseen mahdolliseen latauskokemukseen pääseminen riippuu kuitenkin sovelluksen suunnitteluvaiheessa tehdyistä päätöksistä.

USB4-kehitystyön päätarkoituksena on kaksinkertaistaa tiedonsiirtonopeus verrattuna USB 3.2 -versioon eli yltää 40 gigabitin sekuntinopeuteen ja mahdollistaa samalla tuki Intelin kehittämälle Thunderbolt-protokollalle. USB4-standardi hyödyntää yksinomaan C-tyyppistä USB-porttia, jossa mekaaninen ohjauslevy sijaitsee soikiomaisen liittimen keskellä. Rakenne tunnetaan erityisesti siitä, että pistokeliitin voidaan työntää porttiin kummin päin tahansa.

Kuva 1. USB-kaapeliliittimien eri versioiden rakenteet.

Kaapelin liittäminen on entistä yksinkertaisempaa, mutta USB4-portin taustalla olevan lataustekniikan on nyt sisällettävä myös USB PD -ominaisuudet, mikä lisää ratkaisun monimutkaisuutta. Aiemmissa USB-määrityksissä, joissa käytettiin C-tyyppistä porttia, oli mahdollisuus sallia PD:n käyttö, mutta USB4 vaatii sen.

USB4:n vaatima PD-tehonsyöttö

Liitännän PD-määrityksiä päivitettiin ottamalla mukaan uusia viestintätapoja USB4-moodin havaitsemiseen ja siihen siirtymiseen, mutta itse tehonsyötön ominaisuudet pidettiin ennallaan. Nelosversiossa käytetään yksijohtimista 300 kilohertsin väylää toisella USB-C-liitännän CC-linjoista (Configuration Channel) isännän ja laitteen väliseen viestintään. Sen avulla tunnistetaan ja sovitaan siirrettävät tehot sekä varsinainen datansiirto.

Toinen CC-linja toimii ’VCONN’-roolissa eli erillisenä teholähteenä elektroniselle markkerille (USB-kaapeliin sijoitettu tunnistuspiiri). USB-porttien kesken syötettävä teho siirretään liittimien sisältämien erillisten johtimien kautta (’VBUS’).

Kun kaksi PD-laitetta yhdistetään, ne käyttävät CC-johdinta toistensa havaitsemiseen ja tehonsyötön ominaisuuksista sopimiseen (mitkä jännitteet ja kuinka paljon tehoa siirretään kullakin jännitteellä) sekä ilmaisemaan, minkä laitteen tulee syöttää tai vastaanottaa tehoa ja kuinka paljon. Ja sen jälkeen vastaamaan tämän tehon siirtämisestä VBUS-väylälle.

Tätä 300 kHz digitaalista signaalia käytetään myös tunnistamaan, että liitäntä kykenee tukemaan USB4-linkkiä, joten USB4-liitäntää ei voi toteuttaa ilman tätä tiedonsiirtoa. USB4-porttien ei tarvitse syöttää tai vastaanottaa yli 900 mA virtaa viidellä voltilla, mutta niiden on tuettava PD-tiedonsiirtoa toimiakseen USB4-liitäntänä.

Aiempien USB-väylien tehotasot

Arvioitaessa USB4:n latauskäyttöön liittyviä ominaisuuksia, on hyödyllistä ymmärtää erityyppisten USB-liitäntöjen historiaa tehonsyötön kannalta (kuva 2).

Alun perin Universal Serial Bus tarkoitettiin sarjamuotoiseen tiedonsiirtoon, ja kaapelissa voitiin siirtää enintään 100 milliampeeria virtaa. USB 2.0 -määrityksissä VBUS-linjan virtaraja nostettiin 500 milliampeeriin, mikä riitti tietokoneen perusoheislaitteiden virransyöttöön. USB 3.0 -standardissa virtalukema nousi 900 milliampeeriin, mutta kannettaville laitteille, joissa tarvitaan tehon ja datan syöttämistä saman liittimen kautta, tämä ei riitä.

Myöhemmin USB-komiteat julkaisivat akun lataamiseen liittyvät BC-määritykset, joista viimeiseksi jäi vuoden 2010 standardi BC1.2, joka salli 1,5 ampeerin virran (7,5 W tehon). Siinä vaiheessa monet älypuhelinten valmistajat kuitenkin luopuivat yhteensopivuudesta USB-määritysten kanssa.

Tämä johti lataamisessa vapaasti sovellettavaan vakiotapaan, jossa käytetään USB-datalinjoille (D+ ja D-) asetettuja jännitetasoja: 2 volttia toisella linjalla ja 2,7 V toisella linjalla antaa latausta varten 10 watin tehon. Molemmille linjoille syötetty 2,7 V taas antaa lataustehoa 12 wattia. Ja kummallekin linjalle syötetty 3,3 V jännite antaa lataustehoa 20 W (mikä voi olla jo tuhoisaa väärin syötettynä).

Nämä menettelyt eivät olleet toiminnaltaan yhteensopivia, ja tulokset saattoivat olla arvaamattomia. Lisäksi lataustasojen päättämiseen käytettävät datalinjat eivät olleet enää käytettävissä varsinaista dataa varten. Portti pystyi siirtämään tiedostoja tai lataamaan akkua nopeammin, mutta ei molempia. Jos käyttäjät ovat joskus ihmetelleet puhelimen hiipumista kesken latauksen, syynä on todennäköisesti ollut datansiirtoportti, joka syöttää vain 500 mA USB 2.0 -spesifikaation mukaisesti.

Kuva 2. USB-liitäntöjen tehokäytäntöjen kehitys vuosien mittaan. Omat vakioratkaisut ovat vaihdelleet valmistajakohtaisesti, kun taas uudet USB-spesifikaatiot ovat yleensä olleet taaksepäin yhteensopivia aiempien määritysten kanssa.

Tämä ongelma motivoi luomaan ensimmäisen PD-spesifikaation (Revision 1), jotta saataisiin yleinen standardi lataukselle vaihtoehtoisilla (yli 5 V) jännitteillä käyttämällä perinteisiä nelijohtimisia USB-kaapeleita. Yhteensopivuuden ylläpitäminen taaksepäin edellytti kuitenkin kättelysignaalin lisäämistä itse VBUS-linjaan, mikä taas oli monimutkaista toteuttaa, ja koko hanke romutettiin nopeasti ilman merkittävää käyttöönottoa. Soveltajien yhteisö USB-IF toivoisikin kaikkien jo unohtavan, että tätä speksiä on koskaan edes kirjoitettu - ja käytännössä näin pitäisi tehdäkin. Tämä lähestymistapa ei enää ole pätevä eikä sitä tueta.

Nykyään käytössä ovat PD-versiot 2.0 ja 3.0 sekä niihin sisältyvät ohjelmoitavien teholähteiden PPS-määritykset. Ne luotiin lisäämällä C-tyyppisen USB-portin rinnalle uusia signaaliliitäntöjä. Kakkos- ja kolmosversioiden väliset erot liittyvät lähinnä CC-viestinnän yksityiskohtiin. Molemmat ovat taaksepäin yhteensopivia aiempien USB-toteutusten kanssa (lukuun ottamatta PD-versiota 1) ja käyttökokemukset ovat yhteneviä.

Laitteet kykenevät sopimaan latausprofiileista parhaimmillaan jopa 20 millivoltin välein (PPS-toteutuksissa). PD-yhteensopivat laitteet voivat (mutta niiden ei tarvitse) tukea jopa 100 watin tehonsiirtoa spesifikaation mukaisesti (5 ampeeria 20 voltin jännitteellä). Soveltajien omat rakenteet vaihtoehtoisten latausprofiilien tarjoamiseksi datalinjojen avulla ovat nimenomaisesti kiellettyjä, mutta C-tyyppinen USB mahdollistaa myös yksinkertaistetun 1,5 tai 3 ampeerin latauksen viidellä voltilla (tunnistuksen hoitavat CC-nastaan liitetyt vastukset digitaalisen signaalin sijaan). C-tyyppiset portit eivät vaadi PD:tä, mutta PD vaatii C-tyyppisen portin, ja siinä USB4 muuttaa asioita – PD-tiedonsiirtoa käytetään USB4-moodin sallimiseksi.

Kuva 3. Datan ja tehonsyötön suhteet USB:ssä. USB 2.0 voi toimia missä tahansa USB-kaapelissa, C-tyyppisessä kaapelissa joko tehonsyötön kera tai ilman. USB3.x vaatii kaapelin, jossa on ylimääräisiä supernopeita kaistoja, C-tyyppisessä kaapelissa joko tehonsyötöllä tai ilman. USB4 voi toimia vain C-tyyppisessä yhteydessä PD-viestinnän kera. PD voi toimia vain C-tyypin liitännässä mutta ei vaadi dataa.

Vaikka uudet laitteet noudattavat paranneltuja spesifikaatioita, USB-latauksen monimutkaisuus on seurausta vanhoista standardeista, jotka ovat edelleen käytössä perinteisissä USB-porteissa. Uusi USB4 voidaan liittää mihin tahansa näistä vanhoista porteista.

Taulukko 1. USB:n eri versioiden tehonsyötön ominaisuudet.

Käyttökohteita ja -kokemuksia

Kun yritetään ylläpitää taaksepäin yhteensopivuutta yli viiden sukupolven, syntyy monimutkainen näkymä mahdollisista tehonsyötön liitäntätavoista. Se jättää avoimeksi tärkeän kysymyksen siitä, mitä tapahtuu kaikille vanhemmille USB-porteille ja -kaapeleille. Käyttäjät saattavat ihmetellä, latautuuko porttiin liitetty laite lainkaan. Jos jätetään huomiotta valmistajien omat viritykset, tämä onneksi koskee vain muutamia käyttötapauksia USB-latauksen historiassa. Kaikki laitteet latautuvat, mutta ne eivät aina lataudu nopeasti.

USB4:n yhteydessä on arvioitava periaatteessa neljä eri käyttötapaa:

1. Perinteinen latausportti kytkettynä C-tyyppiseen USB4-laitteeseen sovitinkaapelilla.
2. C-tyyppinen USB4-laturi liitettynä perinteiseen porttiin sovitinkaapelilla.
3. C-tyyppinen USB4-portti liitettynä ei-USB4-tyyppiseen C-porttiin C-C-kaapelilla ja vastusjakaja käytössä CC-linjassa.
4. Kaksi toisiinsa C-C-kaapelilla liitettyä C-tyyppistä porttia, jotka kommunikoivat keskenään CC-linjoilla. Jompikumpi tai molemmat voivat olla USB4-laitteita.

USB-standardien kannalta 8-nastainen Apple Lightning -liitin siirtää samat signaalit kuin perinteinen USB 3.x -kaapeli. USB4-portit, jotka kytketään C-Lightning-sovitinkaapelilla, toimivat tehon kannalta samalla tavalla kuin C-micro-B-kaapelit tai C-A-kaapelit.

Seuraavassa on yhteenveto siitä, mitä on odotettavissa eri käyttötapauksissa:

⇒ USB4-laite liitettynä sovitinkaapelilla perinteiseen latausporttiin

Laitteissa olevat A- ja B-tyyppien kaltaiset perinteiset portit on voitu tehdä jo ennen C-spesifikaatioiden syntyä. Näillä porteilla ei ole eikä tule olemaan mitään vaatimuksia toteuttaa nopeampaa latausmuotoa. USB 2.0 -portin latausvirta voi oletusarvoisesti olla 500 mA tai USB 3.x -portin 900 mA. Hyvä uutinen on, että useimmat uudemmista USB-porteista tukevat BC1.2-latausta ja tarjoavat 7,5 watin lataustehon. Sillä ei ole väliä, minkälaista sovitinkaapelia käytetään, sillä perinteiseen latausporttiin liitetty USB4- tai C-tyyppinen laite ei voi ottaa vastaan yli 7,5 watin tehoa rikkomatta USB-spesifikaatioita.

⇒ Perinteinen laite liitettynä sovitinkaapelilla USB4-latausporttiin

Tapauksissa, joissa USB4-latausportti on kytketty perinteiseen laitteeseen, saatetaan päätyä muutamiin eri lopputuloksiin. USB4-portti voi tarjota mahdollisuuden 1,5 A virtaan BC1.2-standardien mukaisesti ja kaapeli voi siirtää 7,5 watin tehon. Jos USB4-porttia ei ole määritetty tukemaan BC1.2:n mukaista ylitysvaraa, sen tulee siirtyä oletusarvoon 500 mA USB 2.0 -mukaista datansiirtoa varten tai arvoon 900 mA USB 3.x -mukaista datansiirtoa varten. Tämä voi johtaa joidenkin käyttäjien turhautumiseen, kun laitteiden parhaat USB-portit saattavatkin tarjota kaikkein hitaimmat latausajat sovitinkaapeleita käytettäessä.

⇒ USB4-laite liitettynä ei-USB4 C-porttiin, vastusjakajat käytössä

Jos tehoa syöttävä tai vastaanottava laite käyttää C-tyypin vastusjakomenetelmää tehonsyötön eri mahdollisuuksiin, tämä sanelee koko tehonsiirron. USB4-laite ei voi kommunikoida CC-linjojen kautta, mutta tunnistaa silti liittämisen, syöttö/vastaanottotilanteen ja virran raja-arvon (1,5 tai 3 A) käyttäen CC-linjoihin kytkettyjä virtalähteitä tai vastuksia. Väyläjännite pysyy 5 voltissa, ja kuormittava laite pystyy ottamaan vastaan tehoa jopa 7,5 tai 15 wattia. Koska laite tietää, että se ei ole PD-tilassa, se voi selkeän käyttökokemuksen tarjoamiseksi ilmaista, ettei kyseessä ole nopea lataus.

⇒ C-C-kytkentä PD-viestein

Tämä on potentiaalisesti suorituskykyisin USB4-kytkentä tehonsiirron kannalta, mutta täsmälliset lopputulokset vaihtelevat. Kaksi toisiinsa liitettyä laitetta voi sopia tehonsiirrosta kykyjensä mukaan jopa tasolle 20V/5A asti. Osa sopimisesta koskee laitteiden roolia tehon syöttäjänä tai vastaanottajana. On siten mahdollista yhdistää kaksi vain tehoa kuluttavaa laitetta, jotka sopivat, etteivät ne siirrä lainkaan tehoa (tämä on toimiva käyttötapa kannettavien laitteiden välisessä datansiirrossa).

Tehoa syöttävät portit voivat olla akkusymbolein merkittyjä, joten monissa tapauksissa käyttäjät tietävät, mitkä telakointiaseman tai kannettavan tietokoneen portit on määritetty syöttämään tehoa. Tällöin tehoa syöttävän portin on kyettävä antamaan vähintään 1,5 ampeeria viiden voltin jännitteellä (7,5 W eli sama kuin BC1.2-standardissa), jotta portin merkintään voidaan käyttää USB-IF:n hyväksymää latauslogoa. Korkeampia tehotasoja ei voida taata edes C-tyyppisessä portissa, joka on merkitty latauskuvakkeella.

Koska sovittu tehotaso voi olla mitä tahansa välillä 7,5 – 100 W, käyttäjä saa selville tapahtumat vain silloin, jos jokin laitteista ilmoittaa sovitut tiedot (tehotason tai pikalatausyhteyden). Tämä käyttötapa saattaa synnyttää joskus odottamattomia ja turhauttavia käyttökokemuksia, mutta hyvän raportoinnin ja laadukkaan käyttöliittymän avulla se voi myös tarjota täydellisen käyttökokemuksen.

USB4 tuo paljon etuja

USB4:n lisääminen järjestelmään tarjoaa runsaasti lisää kaistaleveyttä ja ominaisuuksia sellaisiin USB-sovelluksiin, jotka kykenevät hyödyntämään uusia mahdollisuuksia. USB 2.0 ja USB 3.x jatkavat kuitenkin yhä elämäänsä niissä sovelluksissa, jotka tulevat toimeen vähemmälläkin datansiirrolla.

Tehonsyöttö erilaisten USB-väylien kautta yleistyy jatkuvasti, mutta älykästä suunnittelua hyödyntämällä sovellusten ei tarvitse synnyttää kenellekään huonoja käyttökokemuksia.