Ein Überblick über USB Typ-C für die reine Stromversorgung

Von Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei Same Sky

Mit der Einführung des ersten USB-Standards im Jahr 1996 haben USB-Steckverbinder und die damit verbundenen Standards im Laufe der Jahre eine Vielzahl von Veränderungen in Bezug auf den physikalischen Steckverbindertyp, die Datenraten und die Leistungsübertragungsmöglichkeiten erfahren. Als der USB Typ-C® im Jahr 2014 auf den Markt kam, stellte er den neuesten physikalischen Standard dar, der den Anwendern aufgrund seines bidirektionalen, reversiblen Gehäuses, der schnelleren Datenübertragungsgeschwindigkeiten und der höheren Leistungsspezifikation mehr Möglichkeiten und Flexibilität bietet. Ein USB-Stecker ist letztlich an drei verschiedene, aber miteinander verbundene Standards gebunden: den physischen Stecker, das Datenübertragungsprotokoll und die Stromversorgung. Verwirrung entsteht jedoch oft, wenn man die Beziehung zwischen den Normen betrachtet. Bevor auf den neuen Trend des nur für die reine Stromversorgung ausgelegten USB-Steckers vom Typ C eingegangen wird, lohnt es sich, die Verbindung der verschiedenen USB-Standards zu erläutern.

Verstehen der USB-Standards

Von einem hohen Niveau aus definiert der neueste USB-Typ-C-Standard nur den physischen Anschluss, den die Benutzer in vielen der heutigen Mobiltelefone und elektronischen Geräte sehen. Datenübertragungsprotokolle, wie USB 3.2 und auch jetzt noch mit USB4, gelten nur für das elektrische Signal. Obwohl sie oft zusammen verwendet werden, könnte ein Ingenieur ein System mit der USB-3.2-Datenübertragungsspezifikation und einem eigenen proprietären Steckverbinder erstellen, der nicht dem physikalischen USB-Anschlussstandard entspricht.

Dasselbe gilt für die Spezifikation von USB Power Delivery (PD). Aufgrund seines Designs unterstützt ein USB-Steckverbinder vom Typ C einen Nennstrom von bis zu 5 A und eine Nennspannung von 20 VDC für bis zu 100 W Leistungsübertragungskapazität, wie in USB PD 3.0 definiert. Der 2021 eingeführte Standard USB PD 3.1 hat die Stromübertragungsleistung des Typs C auf bis zu 240 W erhöht. Während USB-Typ-C-Steckverbinder USB PD unterstützen können, wird die Power-Delivery-Spezifikation tatsächlich von der Ladeschaltung bestimmt und nur durch die Spannungs- und Stromfähigkeiten des physikalischen Steckverbinders begrenzt. Diese höhere Leistungsfähigkeit, die von USB-Steckverbindern des Typs C unterstützt wird, hat sie jedoch in eine neue Welt der Leistungsanwendungen geführt.

Spezifikation Max. Leistung Max. Spannung Max. Strom
USB 2.0 2,5 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 A
USB Typ-C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 5/9/15/20 V 5 A
USB PD 3.1 240 W 28/36/48 V 5 A

Abbildung 1: Verbesserung der USB-Leistungsstufen (Bildquelle: Same Sky)

Vorteile von USB-Typ-C-Steckverbindern bei der Stromversorgung

Mit sechzehn Datenübertragungskontakten, vier Stromversorgungskontakten und vier Erdungskontakten unterstützt ein Standard-USB-Stecker vom Typ C mit 24 Kontakten Leistungsabgaben von bis zu 240 W. Dies macht den USB-Steckverbinder vom Typ C zu einer interessanten Lösung für Versorgungsanwendungen mit der Fähigkeit, eine Standard-Gleichstromversorgung zu ersetzen, selbst wenn keine Datenübertragung erforderlich ist.

Die Standardisierung stellt einen der Hauptvorteile der Verwendung von USB für die Stromversorgung dar. USB-Steckverbinder sind in vielen verschiedenen Branchen weit verbreitet, und der Typ C etabliert sich weiterhin als der universelle Steckverbinder in Telefonen und mobilen Geräten. Aus diesem Grund hat die Europäische Union die Möglichkeit diskutiert, den USB-Typ-C-Stecker als Standard für alle zukünftigen Geräte zu übernehmen, die in ihrer Region gekauft und verkauft werden. Für den Endbenutzer ist die Bequemlichkeit, nur ein einziges, handelsübliches Kabel für die Verbindung mit einer Vielzahl von Produkten zu benötigen, nicht zu unterschätzen. OEMs profitieren auch von einer stabilen Lieferkette, da USB-Stecker einfach zu finden sind und ihre Standardisierung ein gewisses Maß an Interoperabilität gewährleistet. Durch diese Standardisierung werden auch die Herausforderungen der Designintegration reduziert. Darüber hinaus bieten USB-Steckverbinder des Typs C in der Regel eine kleinere Gehäusegröße als eine Reihe von Hohlsteckern sowie eine hohe Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer mit einem Steckzyklus von 10.000 Steckzyklen.

Nur für die Stromversorgung ausgelegte USB-Stecker vom Typ C

Aufgrund der im vorigen Abschnitt aufgeführten Vorteile hat Same Sky einen nur für die Stromversorgung ausgelegten USB-Stecker vom Typ-C für Anwendungen entwickelt, bei denen das Aufladen oder die Stromversorgung die einzig vorgesehene Verwendung ist. Bei den nur für die Stromversorgung ausgelegten 60W-USB-Typ-C-Steckbuchsen von Same Sky werden die sechzehn Datenübertragungskontakte und zwei der Erdungskontakte entfernt, sodass nur vier Stromversorgungskontakte und zwei Erdungskontakte übrig bleiben.

Diagramm: Typ-C mit 24 Kontakten vs. Stromversorgungs-Typ-C mit 6 KontaktenAbbildung 2: Typ-C mit 24 Kontakten vs. nur für die Stromversorgung ausgelegtem 6-poligem Typ-C (Bildquelle: Same Sky)

Durch den Wegfall der sechzehn Kontakte führt das vereinfachte Design des Steckverbinders zu einer erheblichen Kostenreduzierung mit nur sechs Kontakten im Vergleich zu einem standardmäßigem 24-poligen Typ-C. Dies reduziert nicht nur die Bauteilkosten, sondern verringert aufgrund der geringeren Anzahl von Kontakten und damit verbundenen Lötverbindungen auch die Komplexität und Ausfallrate. Obwohl diese nur für die Stromversorgung ausgelegten USB-Typ-C-Steckverbinder keine Daten übertragen, sind sie dennoch mit jedem üblichen Daten+Stromzufuhr-USB-Typ-C-Kabel kompatibel. Dies erhöht ihre Bequemlichkeit, da keine zusätzliche Hardware oder Anforderungen an die Schnittstelle zwischen Stecker und Kabel gestellt werden müssen.

Beachten Sie, dass nach dem Entfernen der Datenübertragungspins der USB-3.0-Stromverhandlungsprozess nicht stattfindet, was bedeutet, dass das Ladegerät auf die standardmäßige USB-Stromübertragungsrate von 5 V und 1 A zurückgreift. In allen anderen Fällen funktioniert der Anschluss wie jede andere Stromversorgungsbuchse, wobei der Ladevorgang durch den Adapter/Ladeschaltkreis gesteuert wird.

Weitere Szenarien für die Stromversorgung

Obwohl eine geeignete Option für eine Vielzahl von Anwendungen und Designs, haben dedizierte Stromversorgungsoptionen, wie z.B. DC-Stromversorgungsanschlüsse, immer noch ihren Platz. In erster Linie sind USB-Typ-C-Stecker mit einer Leistungsübertragungsgrenze von 240 W einfach keine Option für Designs, die mehr als 240 W benötigen. Allerdings eröffnet USB PD 3.1 im Vergleich zur bisherigen 100W-Grenze weitere Möglichkeiten bei der Stromversorgung. Während standardisierte Footprints in vielen Szenarien Vorteile bieten, gibt es wahrscheinlich Fälle, in denen ein anderer Footprint oder ein anderer Gehäusetyp eine geeignetere Option sein könnte. Mit anderen Worten, wenn ein kundenspezifischer Steckverbinder benötigt wird, könnte USB Typ C durch seine standardisierten Größen und Begrenzungen eine Einschränkung darstellen. Weitere Informationen darüber, wann andere Stromversorgungsanschlüsse immer noch die beste Lösung sein können, finden Sie im Blog Auswahl eines Steckverbinders für die Gleichstromversorgung von Same Sky.

Die Zukunft mit USB Typ-C

USB-Steckverbinder vom Typ C und ihre weite Verbreitung haben den Ingenieuren einen neuen Weg eröffnet, Lösungen für das Energiemanagement und die Energieübertragung zu finden. Auch wenn es keine universelle Lösung ist, so wird der Typ C aufgrund seiner Leistungsfähigkeit von bis zu 240 W und der weltweiten Standardisierung in einer breiten Palette von Produkten und Anwendungen eine starke Position einnehmen. Mit ihren niedrigen Kosten und der vereinfachten Implementierung bieten die nur für die Stromversorgung ausgelegten USB-Steckbuchsen vom Typ C von Same Sky Ingenieuren eine attraktive Option, wenn die Stromversorgung die einzige Funktion ist.

Same Sky bietet derzeit horizontale und vertikale USB-Typ-C-Steckbuchsen für 60 W, eine maximale Stromstärke von 3 A und eine Spannung von 20 VDC an.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der DigiKey oder offiziellen Politik der DigiKey wider.

Über den Autor

Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei Same Sky

Artikel bereitgestellt von Jeff Smoot von Same Sky.