USB ist heute anerkannter Standard für Verbraucher- und Automobilanwendungen, der zunehmend auch in den industriellen Sektor und die E-Mobilität vordringt. Die erste offizielle USB 1.0 Version aus dem Jahr 1996 unterstützte eine Datenübertragung von bis zu 1,5 Mbit/s und eine Leistung von bis zu 2,5 W. Seitdem hat sich der Standard rasant weiterentwickelt – heute unterstützt er 80 Gbps und 240 W über ein einziges USB-C-Kabel. Tatsächlich zeigte sich jedoch etwa die Hälfte aller Besucher des Arrow-Standes auf der Embedded world 2024 überrascht von der Tatsache, dass der USB-Standard bereits Leistungen bis zu 240 W unterstützt.
USB-C-Anschluss
Werfen wir einen genaueren Blick auf die Details des USB-C-Standardanschlusses. Einer der großen Vorteile dieses Anschlusses ist, dass er aufgrund seines symmetrischen Designs verdrehungssicher ist, das heißt, er funktioniert unabhängig davon, wie herum der Stecker eingesteckt wird. Dieser Anschluss unterstützt eine Leistungsabgabe von bis zu 240 W und ermöglicht durch seinen Alternate-Modus die Nutzung von Protokollen wie HDMI, DisplayPort, Thunderbolt und viele andere. In Summe hatten diese Eigenschaften einen signifikanten Einfluss auf die Branche.
Sehen wir uns die Anschlusspins einmal genauer an (siehe Abbildung 1): die CC1- und CC2-Pins – auch Kabelkonfigurations-Pins genannt – dienen zur Festlegung der Ausrichtung und Zuweisung der jeweiligen Aufgaben: DFP (Downstream Facing Port) für die Stromquelle, UFP (Upstream Facing Port) für die Stromsenke und DRP (Dual-Role Port) für Source- und Sink-Aufgaben. Eine weitere Funktion der CC-Leitungen ist die Unterstützung der Datenübertragungen bei der Abstimmung von Power-Delivery-Protokollen zwischen Source und Sink.
Es gibt vier Differenzialpaare (RX- und TX-Signale) für USB 5 Gbps oder höhere Geschwindigkeiten, die ab dem USB 3.1 Standard verwendet werden. Diese Datenleitungen arbeiten im Vollduplex-Modus, während die beiden herkömmlichen Pin-Paare (D+/D-), die sich in der Mitte befinden, im Halbduplex-Modus arbeiten. Die Pins mit der Bezeichnung „SBU“ oder „Sideband Use“ werden für alternative Modi verwendet, wie zum Beispiel zur Aktivierung der Videoausgabe für DisplayPort oder Thunderbolt. Die „VBUS“-Pins dienen zur Stromversorgung mit bis zu 240 W. Alle vier externen „GND“-Pins sind für die Masseverbindung vorgesehen. Eine zuverlässige Masseverbindung ist für USB-C-Anschlüsse mit hohen Datenübertragungsraten und in Fällen, in denen eine hohe Stromübertragung über den Stecker erfolgt, unerlässlich.
USB Power-Delivery-Spezifikation
Damit kommen wir zum USB Power-Delivery-Standard. Wie bereits erwähnt, lag die Höchstleistung in den ersten Versionen des USB-Standards bei max. 2,5 W (5 V x 500 mA) über VBUS. Mit USB 3.0 konnte diese Leistung geringfügig auf 4,5 W (5 V x 900 mA) erhöht werden, allerdings war das für viele Anwendungen immer noch nicht ausreichend. Mit der Einführung des USB-C-Anschlusses und Power Delivery im Jahr 2014 wurde dann die USB-Leistungsfähigkeit deutlich erhöht. Mit USB Typ-C stieg die maximal verfügbare Leistung standardmäßig auf 15 W (5 V bei 3 A). Durch die umfassende Implementierung des USB PD-Standards wurde es möglich, bis zu 100 W (20 V bei 5 A) über eine einzige USB-Quelle zu liefern.
Ab USB Power Delivery 3.1 sind laut Spezifikation bis zu 240 W (48 V bei 5 A) möglich. Alle Spannungspegel, die höher als 20 V sind, werden nun als Extended Power Range (EPR) kategorisiert. Diese Spezifikation umfasst auch die Unterstützung eines AVS-(Adjustable Voltage Supply)-Modus, mit dem die Spannung bei Spannungswerten über 15 V in Schritten zu je 100 mV angepasst werden kann.
Entwicklung der Markttrends
Die Entwicklung der Markttrends im USB-Bereich zeigt, dass – obwohl der USB-Standard heute bereits beinahe 30 Jahre „auf dem Buckel“ hat – die bedeutendsten Verbesserungen in Hinblick auf Geschwindigkeit und Stromverbrauch vor allem in jüngster Zeit erfolgten. In den letzten acht Jahren haben die meisten Hersteller von Mainstream-Geräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen et cetera, USB-C übernommen.
Heutzutage verfügen die meisten Laptops über mindestens einen USB-C-Anschluss. Darüber hinaus wurden viele weitere Geräte auf USB-C umgestellt und die Verfügbarkeit der USB-C-Netzadapter auf dem Markt ist ebenfalls deutlich gestiegen. Gleichzeitig sind viele Automobilhersteller dazu übergegangen, mehr USB-C-Anschlüsse in ihre Fahrzeuge einzubauen, um Fahrern und Passagieren bessere Lademöglichkeiten zu bieten. Aufgrund des aktuellen Trends wird erwartet, dass die Akzeptanz von USB-C in den kommenden Jahren vor allem in den Embedded- und industriellen Sektoren signifikant zunehmen wird.
Mit Blick auf das Jahr 2025 und darüber hinaus wird prognostiziert, dass viele elektronische Geräte, die derzeit mit bis zu 240 W betrieben werden, USB-C als Standardanschluss für die Datenübertragung und zum Aufladen verwenden.
Die Verbreitung von USB wird durch entscheidende Faktoren vorangetrieben, darunter der Wettlauf bei Batterietechnologien, die zunehmende Nutzung in industriellen Anwendungen und die steigende weltweite Akzeptanz von USB. Lokale Vorschriften spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.
Bis Ende 2024 werden USB Typ-C und USB PD in allen EU-Ländern für viele Anwendungen verbindlich vorgeschrieben sein, ähnliche Diskussionen laufen derzeit auch in den USA und in vielen weiteren Ländern. Bei diesem Trend geht es also heute nicht nur mehr darum, auf dem neuesten Stand der Technik zu bleiben, sondern er ist auch ein wichtiges Wettbewerbsmerkmal geworden, das die Position auf dem Markt sichert.
Die größten Vorteile
Aber welche wesentlichen Vorteile bietet diese Technologie, die in den letzten Jahren für eine derart schnelle Verbreitung des Standards gesorgt hat?
Kombinierte Datenübertragung und Stromversorgung: Einer der wichtigsten Gründe für die schnelle Verbreitung von USB-C ist die Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsdaten, Videodaten und Strom über einen einzigen schlanken Anschluss zu übertragen. Dies erleichtert das Design kompakterer und dünnerer Geräte.
Vereinheitlichung und Wiederverwendbarkeit: Herkömmliche Netzteile sind auf feste Spannungs- und Stromstärken ausgelegt und verfügen häufig über spezielle Steckverbinder, die nur mit den für sie vorgesehenen Geräten genutzt werden können. Solche Netzteile sind nicht mit anderen Geräten kompatibel.
Im Gegensatz dazu sind USB-C-Netzteile universell kompatibel und verfügen über einen USB-C-Anschluss, der mit vielen Geräten funktioniert. Darüber hinaus können mit dem 240 W USB PD-Netzteil Spannungen und Ströme bis zu 240 W (48 V bei 5 A) bewältigt werden. Dadurch können alle USB-Geräte mit bis zu 240 W aufgeladen werden, einschließlich Geräte mit 5 V oder 15 V, 45-W-Telefone und 160-W-Laptops. Und sogar zukünftig erworbene Geräte wie Elektrowerkzeuge, E-Bikes oder 3D-Drucker für Privatkunden könnten mit demselben Netzteil aufgeladen werden. Ein einziges USB-Netzteil kann somit zum Aufladen einer Vielzahl verschiedener Geräte verwendet werden, was dem Endverbraucher Kosten spart.
Einsparungen bei F&E- und Herstellungskosten: Kundenspezifische Netzteile, ob integriert oder mit kundenspezifischem Anschluss, erfordern oft zusätzliche Investitionen in Design, Herstellung und Testläufe, insbesondere bei geringeren Produktionsmengen.
Die Verwendung eines USB-C-Netzteils anstelle eines kundenspezifischen Netzteils in Kombination mit einem geeigneten USB-C-PD-Controller von Infineon als Stromsenke trägt dazu bei, das Kosten/Watt-Verhältnis zu senken. Eine natürliche Entwicklung, die nicht zuletzt durch den großen Wettbewerb zwischen Herstellern von Ladegeräten auf dem Massenmarkt zusätzlich befeuert wird.
Schnellere Markteinführung: Neben den höheren Kosten für das Design eines externen oder eingebetteten Ladegeräts erfordern kundenspezifische Lösungen oft auch mehr Zeit für Forschung und Entwicklung sowie weitere Tests. Durch die einfache USB-Sink-Implementierung in Kombination mit einem zertifizierten USB-Ladegerät ist jedoch in den meisten Anwendungsfällen eine schnellere Markteinführung möglich.
Geringere Abhängigkeit von OEMs: Eine andere Situation ergibt sich, wenn das Netzteil oder das integrierte AC/DC-Stromversorgungsmodul von einem OEM-Hersteller stammt. In einem solchen Fall kann die Zukunft des Projekts stark von den Produktionsplänen des Drittanbieters abhängen. Sobald die USB-Sink-Funktion implementiert ist, könnten alle zertifizierten USB-Adapter mit ähnlichen Leistungsmerkmalen aus dem Consumer-Bereich verwendet werden, wodurch sich die Abhängigkeit von einem einzigen OEM-Lieferanten stark verringert.
Weniger Elektroschrott: Auf den ersten Blick mag es vielleicht nicht offensichtlich sein, aber die Vereinheitlichung der Ladegeräte hat erhebliche Auswirkungen auf den Umweltschutz. Ladegeräte sind zwar nicht besonders groß, aber die Auswirkungen auf die Umwelt sind beträchtlich, wenn man an die Millionen von Ladegeräten denkt, die jedes Jahr weggeworfen werden.
Verbesserte Markenwahrnehmung: Alleine die Tatsache, dass das Entwicklungsunternehmen mit den Trends Schritt hält, ist für Ihre potenziellen Kunden ein großer Anreiz. Stellen Sie sich vor, wie es sich anfühlen würde, wenn Ihr Unternehmen moderne und teure Messgeräte kaufen würde, denen eine CD für die Installation von Treibern und Software-Tools beiliegt.
USB-C-Anschluss: Die Einführung des 24-poligen USB-C-Anschlusses in 2014 setzte einen Meilenstein.
240 W Sink-Referenzdesign
Den jüngsten Trends in der Branche folgend, haben Arrow und Infineon nun das neue 240 W PD 3.1 Sink-Referenzdesign vorgestellt, das auf dem EZ-PD PMG1-S3 Hochspannungs-Mikrocontroller von Infineon basiert und für USB-Anwendungen mit hoher Leistung bestimmt ist. Das neue Referenzdesign unterstützt bis zu 48V bei 5A im Power Delivery Object Sink-Modus – der höchste Wert, der mit den neuesten USB-Power-Delivery-Standards erreicht werden kann.
Das Referenzdesign erweitert die Leistungsaufnahme der Hochspannungs-Mikrocontroller der EZ-PD PMG1-Familie von 140 W auf 240 W. Das ist in erster Linie für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf und schnellem Ladebetrieb wichtig.
Dieses 240 W Sink-Referenzdesign-Board REF_ARIF240WS3 ist die ideale Ergänzung zu dem erst kürzlich veröffentlichten USB PD 3.1 Source-Evaluierungsboard REF_XDPS2222_240W1. Damit sind Entwicklungsingenieure jetzt unter den ersten auf dem Markt, die über die komplette 240 W USB PD 3.1 Source-/Sink-Lösung verfügen.
240 W Source-Referenzdesign
Das REF_XDPS2222_240W1, ein ergänzendes Design für eine 240-W-Stromquelle, basierend auf der CoolGaN Technologie von Infineon, ist eine hocheffiziente USB PD 3.1 Referenzdesign-Lösung mit kleinem Formfaktor. Es bietet eine Leistungsdichte von 25 W/in3 und nutzt den XDP Digital Power XDPS2222 PFC + Hybrid-Flyback (HFB) Combo-IC.
Die koordinierte Kommunikation zwischen dem PFC- und HFB-Controller sowie die adaptive Busspannungseinstellung machen den XDP XDPS2222 Controller zur idealen Lösung für Anwendungen mit breitem AC-Eingangsbereich und einem erweiterten Ausgangsspannungsbereich, wie beispielsweise USB-PD-Netzteile mit erweitertem Leistungsbereich (EPR) und Batterieladegeräte. Die Hauptmerkmale:
HFB ZVS-Betrieb von High- und Low-Side-Schaltungen
Schnelle HFB-Spitzenstromregelung
Harmonisierte PFC und HFB
Pulse-Skipping bei geringen Lasten
PFC Ein-/Aus-Steuerung
regelnder PFC-Busspannungspegel
Die Hauptanwendungen
Diese Referenzdesigns sind für eine breite Palette von Anwendungen bestimmt, wie leichte Elektrofahrzeuge, Drohnen und mobile Roboter, 3D-Drucker, Elektrowerkzeuge, medizinische Geräte, Haushaltsgeräte oder Unterhaltungselektronik. Generell können alle Anwendungen, die 0 bis 240 W benötigen, von der Verwendung von USB-C für die Stromversorgung und von den USB-PD-Funktionen dieser fortschrittlichen Designs profitieren.
