יציאות USB נמצאות בכל מקום, וכל מי שיש לו טלפון חכם מצא את עצמו בוהה בשקע ותוהה אם הוא יטעין את המכשיר שלהם.
תחום החשמל הופך לפשוט יותר עם התכנסות התעשייה לתקני אספקת חשמל (PD) באמצעות USB, ובעזרת הטמעה מוצלחת USB4 עשוי להמשיך במגמה זו. הבטחת חווית הטעינה הטובה ביותר במספר מקרי שימוש חדשים תהיה תלויה במספר החלטות הקשורות לעיצוב היישום.
איור 1: מארזי יציאת כבל USB
המטרה העיקרית של פיתוח ה- USB4 היא להכפיל את קצב הנתונים בהשוואה ל-USB 3.2 (40 ג’יגה ביט לשנייה לעומת 20 ג’יגה ביט לשנייה קודם לכן) וכדי לאפשר תמיכה בפרוטוקול Thunderbolt של Intel. USB4 עושה שימוש אך ורק ביציאת USB מסוג C, השקע עם המראה העגלגל והלהב במרכזו אשר ידוע בכך שהוא מקבל כבלים גם כשהם מוחדרים הפוך. בעוד שהכנסת הכבל הופכת לפשוטה יותר, טכנולוגיית הטעינה שמאחורי שקעי USB4 חייבת לכלול כעת את USB PD, דבר שמוסיף מורכבות. למפרטי USB מהדור הקודם שעושים שימוש ביציאה מסוג C הייתה אפשרות לאפשר PD, USB4 דורש זאת.
אספקת החשמל הנדרשת ב-USB4
מפרט ה-PD תוקן כדי לכלול הודעות חדשות לגילוי ומעבר למצב USB4, אך תוכניות החשמל זהות. הן עושות שימוש באפיק של 300 קילו-הרץ בחוט יחיד באחד מקווי ערוץ התצורה (CC) של ממשק ה-USB מסוג C עבור המארח והמכשיר כדי ולנהל משא ומתן על בנוגע לחשמל ולנתונים שהם יעבירו ולגלות אותם (איור 1). קו ה-CC השני מקבל את התפקיד ה-“VCONN”, מקור חשמל ייעודי עבור הסמן האלקטרוני (מעגל זיהוי בתוך כבל ה-USB). החשמל שמועבר בין יציאות USB מועבר בקבוצה נפרדת של חוטים בתוך המחבר (שכותרתו “VBUS;” ראו איור 2). כאשר שני מכשירי PD מתחברים, הם משתמשים בחוט ה-CC כדי לזהות זה את זה, לתקשר יכולות הספק (אילו מתחים וכמה חשמל בכל מתח), להבין איזה מכשיר צריך לקבל או לספק חשמל, לנהל משא ומתן על כמה חשמל לספק ואז לספק חשמל באמצעות VBUS. האות הדיגיטלי 300kHz הזה משמש גם כדי לזהות שחיבור ה-USB יכול לתמוך בקישור USB4, כך שאין דרך ליישם USB4 ללא תקשורת זו. שקעי USB4 אינם נדרשים לספק או לקבל חשמל מעבר למינימום של 5 וולט / 900 מילי-אמפר, אך עליהם לתמוך בתקשורת PD כדי לתפקד כ-USB4.
היסטוריית החשמל באפיק הסידורי האוניברסלי
כדי לצפות בחוויות המשתמש בעת טעינה באמצעות USB4, כדאי להבין את ההיסטוריה של העברת חשמל דרך
מחבר ה-USB (ראו איור 2). האפיק הסידורי האוניברסלי נועד במקור לתקשורת נתונים סדרתית, עם זרם מקסימלי של 100 מילי-אמפר בכבל. מפרט USB 2.0 הוגבל ל -500 מילי-אמפר בקו VBUS והוא התאים להפעלת ציוד היקפי בסיסי למחשבים. תקני 3.0 USB הגדילו את המגבלה הנוכחית ל- 900 מילי-אמפר, אך למכשירים ניידים שמסתמכים על חיבור יחיד עבור נתונים וחשמל, זה לא הספיק.
ועדות ה-USB פרסמו את מפרט טעינת הסוללה (BC), שהסתיימו במפרט BC1.2 בשנת 2010, ואפשרו 1.5 אמפר (7.5 וואט), ובאותה נקודה יצרני טלפונים חכמים רבים ויתרו על התאימות למפרט USB.
הדבר הוביל לפרוטוקול טעינה קנייני בחינם לכולם, תוך שימוש ברמות מתח שנקבעו בקווי D+ ו-D- (קווי נתוני USB): 2 וולט בקו אחד ו-2.7 וולט בשני עשויים להעניק טעינה של 10 וואט, 2.7 וולט בשני קווי הנתונים עשוי לסמן טעינה של 12 וואט, 3.3 וולט בכל קו יביא יגרמו למטען לספק 20 וולט (דבר שעלול להזיק אם יופעל בטעות). בשיטות אלה לא הייתה יכולת פעולה שיתופית, והתוצאות היו בלתי צפויות. בנוסף, קווי הנתונים ששימשו להחלטה בנוגע לרמות הטעינה כבר לא היו זמינים עבור נתונים. יציאה יכולה להעביר קבצים, או שהיא יכולה להטעין מהר יותר, אך אינה יכולה לעשות את שתי הפעולות. כל מי שחווה אי פעם טלפון שנכבה במהלך הטעינה – ייתכן שהיציאה הזו הייתה עבור חיבור נתונים שמספק 500 מילי-אמפר לפי מפרטי USB 2.0.
איור 2: מדיניות חשמל באמצעות USB לאורך זמן. הסטנדרטים הקנייניים משתנים לפי היצרן, בעוד מפרטי ה-USB החדשים
בדרך כלל שמרו על תאימות עם מפרטים קודמים.
נושא זה הניע את מפרט ה-PD הראשון (גרסה 1), ויצר תקן אוניברסלי לטעינה במתח חלופי (יותר מ-5 וולט) באמצעות כבלים רגילים מסוג USB 4. שמירה על תאימות לאחור דרשה הוספת אות לחיצת יד לקו ה-VBUS עצמו, דבר שהיה מסובך ליישום וכל העניין נזרק לפח ללא אימוץ משמעותי. ה-USB-IF היו מעדיפים שכולם ישכחו שהמפרט הזה נכתב אי פעם ולמעשה, כדאי מאוד לשכוח אותו. גישה זו אינה תקפה או נתמכת עוד.
כיום ישנן גרסאות PD 2.0 ו-3.0, ומפרטים כלולים של ספק החשמל הניתן לתכנות (PPS). אלה נוצרו לצד יציאת USB מסוג C, עם חיבורי אותות נוספים. ההבדלים בין גרסה 2 ל-3 הם בעיקר בפרטי התקשורת של CC. שניהם תואמים לאחור ליישומי USB קודמים (לא כולל גרסת PD 1) וחוויות המשתמש יהיו זהות. מכשירים מנהלים משא ומתן על פרופילי ההטענה, עד למרווחי ם של 20 מילי-וואט (תחת יישומי PPS) באופן פוטנציאלי. מכשירים בעלי יכולת PD יכולים (אך אינם נדרשים) לתמוך בהעברת חשמל של עד 100 וואט בתוך המפרט (5 אמפר ב-20 וולט). התוכניות הקנייניות לפרסום פרופילי הטענה חלופיים באמצעות קווי הנתונים אסורות במפורש, אך USB מסוג C מאפשר גם טעינה פשוטה של 1.5 אמפר ו-3 אמפר ב-5 וואט (מוכרת על ידי (מזוהה באמצעות נגדים בסיכת ה-CC, במקום האות הדיגיטלי). יציאות מסוג C אינן דורשות PD, אך PD דורש יציאה מסוג C, שם ה-USB4 משנה דברים (ראו איור 3). USB4 עושה שימוש בתקשורת PD כדי לאפשר את מצב ה-USB4.
איור 3: קשרים של נתוני USB וחשמל USB ב-USB מסוג 2.0 יכולים להתקיים בכל כבל USB, עם או בלי אספקת חשמל בכבל מסוג C. USB3.x דורש כבל עם נתיבי מהירות על נוספים, עם או בלי חשמל
שליחה בכבל מסוג C. USB4 יכול להתקיים רק בחיבור מסוג C, עם תקשורת אספקת חשמל. אספקת חשמל יכולה להתקיים רק בחיבור מסוג C אך אינה דורשת נתונים.
בעוד שהתקנים חדשים יעקבו אחר המפרטים החדשים והמיועלים, המורכבות בטעינה מסוג USB נובעת מכל התקנים הקודמים הללו, אשר עדיין קיימים ביציאות ישנות יותר, ויציאת USB4 חדשה עשויה להיות מחוברת לכל אחת מאותן יציאות מהדור הקודם (ראו טבלה 1).
טבלה 1: חיבורי חשמל ב-USB
מקרי שימוש וחוויות משתמש
הניסיון לשמור על חמישה דורות של תאימות לאחור יוצר תמונה מסובכת של חיבורי חשמל אפשריים. הדבר מותיר סימן שאלה גדול לגבי מה שקורה לכל יציאות ה-USB והכבלים הישנים יותר, והמשתמשים עדיין עשויים לתהות “האם הוא יטעין?” למרבה המזל, בהתעלם מהמפרט הקנייני, רוב ההיסטוריה הזו מסתכמת בכמה חוויות משתמש אפשריות בלבד. אמנם בכולן תהיה טעינה, אך יתכן שלא בכולן תהיה טעינה מהירה.
ביסודו של דבר ישנם ארבעה מקרי שימוש יש לקחת בחשבון בהקשר ל-USB4:
- יציאת טעינה מהדור הקודם מתחברת למכשיר מסוג USB4 מסוג C באמצעות כבל תואם
- מטען USB4 מסוג C מתחבר ליציאה מדור קודם באמצעות כבל מתאם
- יציאת USB4 מסוג C מתחברת ליציאה מסוג USB שאינה USB4 עם כבל CC ומציבה מחלק התנגדות על קו ה-CC
- שתי יציאות מסוג C מתחברות עם כבל C אל C ומתקשרות בקו CC, אחד מהם או שניהם יכולים להיות להתקני USB4
מבחינת תקני USB, מחבר Apple Lightning עם 8 פינים נושא את אותם אותות כמו כבל USB 3.x מהדור הקודם. יציאות USB4 שמתחברות באמצעות כבלים מתאמים מסוג Lightning יתנהגו באופן דומה לכבלים מסוג C למיקרו B, או כבלים מסוג C לסוג A מבחינת פונקציונליות החשמל. להלן סיכום לדברים שלהם יש לצפות בכל מקרה שימוש בטעינה:
יציאת טעינה מדור קודם מחוברת למכשיר USB4 באמצעות כבל מתאם
יתכן שיציאות מדור קודם כגון יציאות מסוג A ומסוג B, נוצרו לפני המפרט סוג C (ראו איור 1). לא הייתה ולא תהיה עבור יציאות אלה דרישה לבצע כל תוכנית טעינה מהירה ספציפית. יציאת USB 2.0 עשויה להיות ברירת מחדל לטעינה של 500 מילי-אמפר, או שיציאת USB 3.x עשויה להיות ברירת מחדל ל-900 מילי-אמפר. החדשות הטובות הן שרוב יציאות ה- USB החדשות יותר תומכות ב-BC1.2 ויספקו 7.5 וואט. לא משנה באיזה סוג של כבל מתאם נעשה שימוש, התקן ה-USB4 או מסוג C המחובר ליציאת הטעינה הישנה אינם יכולים לשאוב יותר מ-7.5 וולט של חשמל מבלי להפר את מפרט ה-USB.
יציאת טעינה מסוג USB4 מחוברת למכשיר מדור קודם באמצעות כבל מתאם
במקרים בהם יציאת טעינה מסוג USB4 מחוברת למכשיר מדור קודם, עשויות להיות כמה תוצאות אפשריות. יציאת ה-USB4 יכולה להכריז על 1.5 אמפר באמצעות תקני BC1.2, והכבל יכול לשאת 7.5 וואט. אם ה-USB4 אינו מוגדר כדי לתמוך בתקורה הנוספת של BC1.2, יציאת ה-USB4 תצטרך לעבור לברירת מחדל של 500 מילי-אמפר עבור חיבור נתונים 2.0, או 900 מילי-אמפר עבור חיבור נתונים מסוג 3.x USB. הדבר יוביל לתסכול מסוים של המשתמשים, מכיוון שיציאת ה-USB היוקרתית ביותר עשויה לגרום לטעינה האיטית ביותר בעת שימוש בכבלי מתאם.
USB4 לסוג C שאינו USB4, עם מחלקי עמידות
אם ספק החשמל או הצרכן משתמשים בשיטת חילוק התנגדות מסוג C כדי להכריז יכולות אספקת חשמל, הדבר יכתיב את העברת החשמל. מכשיר ה-USB4 לא יוכל לתקשר באמצעות
קווי CC, אך הוא עדיין יזהה את הקובץ המצורף, את יחסי הספק/צרכן ואת המגבלה הנוכחית (1.5 אמפר או 3 אמפר) באמצעות מקורות זרם או נגדים המחוברים לקווי CC. מתח האפיק יישאר על 5 וולט, ומכשיר העומס יוכל למשוך הספק של עד 7.5 וואט או 15 וואט. מכיוון שהמכשיר יודע שהוא אינו במצב PD, הדבר עשוי להצביע על כך שהוא לא נטען במהירות עבור חוויית משתמש ברורה.
סוג C לסוג C, עם תקשורת PD
יכול להיות שזהו חיבור ה-USB4 בעל היכולות הגבוהות ביותר מבחינת העברת חשמל, אך התוצאות המדויקות ישתנו. שני המכשירים המחוברים ינהלו משא ומתן על חוזה חשמל על סמך יכולותיהם, עד 20 וולט ו-5 אמפר. חלק מהמשא ומתן הוא על התפקיד כספק או צרכן חשמל. ניתן לחבר שני צרכני חשמל, שינהלו משא ומתן שלא להעביר חשמל (וזהו מקרה שימוש תקף להעברת נתונים בין מכשירים ניידים). יציאות ספק יכולות להיות מסומנות בסמל סוללה, כך שבמקרים רבים המשתמשים יידעו אילו יציאות על תחנת העגינה או המחשב הנייד מוגדרות לאספקת חשמל. במקרה כזה, היציאה שמספקת חשמל חייבת להיות מסוגלת לספק לפחות 1.5 אמפר ב-5 וולט (7.5 וואט, כמו -BC1.2) כדי להשתמש בלוגו טעינה המאושר על ידי USB. לא מובטח שרמות הספק גבוהות יותר יהיו זמינות גם ביציאה מסוג C שכותרתה סמל טעינה. מכיוון שחוזה החשמל יכול להיות בכל רמת הספק מ-7.5 וואט ועד ל-100 וואט, המשתמש יידע מה קורה רק אם אחד המכשירים מדווח על מידע הנוגע החוזה (המציין רמת הספק או חיבור טעינה מהירה). למקרה השימוש הזה בהחלט יש פוטנציאל ליצור חוויות משתמש בלתי צפויות ומתסכלות, אך עם דיווח טוב וממשקי משתמש טובים, זו יכולה להיות גם חווית המשתמש המושלמת.
סיכום
התוספת של USB4 תוסיף רוחב פס ויכולות רבות ליישומי ה-USB שיכולים לעשות בהם שימוש, אך USB 2.0 ו-USB3.x ימשיכו לעבוד ביישומים שיכולים לעבוד עם פחות העברת נתונים. מקרי השימוש בחשמל יתרבו, אך עם תכנון יישומים חכם הדבר לא צריך ליצור חוויות משתמש גרועות.
