L’interfaccia USB si è evoluta in maniera significativa dalla sua introduzione nel 1996, e negli ultimi 26 anni si è assistito a diversi cambiamenti del connettore USB. Con un incremento della velocità di trasferimento massima di fattore pari a 25.000:1 e con la sua versatilità nel trasferire dati, l’interfaccia USB è diventato un metodo pratico di alimentare e ricaricare una vasta gamma di unità periferiche per computer e dispositivi elettronici di consumo, dagli smartphone ai dispositivi fitness indossabili.
L’interfaccia USB oggi è ovunque e largamente integrata, ciò nonostante, gli ingegneri devono prendere in considerazione una serie di specifiche tecniche molto importanti che si celano dietro il suo funzionamento. Queste sono rappresentate dagli standard di connessione USB, ovvero il fattore di forma fisica dell’USB (Tipo A, Tipo B, Tipo C, Mini-B, ecc.), la velocità trasferimento dati (USB 3.0, USB 3.2, USB 4.0, ecc.) e infine gli standard di erogazione di potenza (USB 2.0, USB PD 3.0, USB 3.1, ecc.) Questo articolo introduce l'interfaccia USB, ne illustra brevemente l'evoluzione e spiega come questa sia diventata la porta di ricarica standard di riferimento per i dispositivi elettronici di consumo nell'Unione Europea e nel Regno Unito.
Gli albori della connettività dei personal computer
Difficile a credersi, sono passati 26 anni dalla prima comparsa dell’interfaccia USB. In tutti questi anni, l’USB ha avuto un impatto significativo sul settore dell'informatica e dell'elettronica di consumo. Istituito per la prima volta nel 1996, lo standard USB 1.0 nasce dall'esigenza di collegare periferiche di terze parti ai personal computer. Da quel momento, l'adozione dell'interfaccia ha preso rapidamente piede. La sua diffusione permette di collegare e alimentare numerosi dispositivi, dagli smartphone agli smartwatch, dai fitness tracker alle telecamere di sicurezza domestiche. Praticità e semplicità sono la chiave per il successo dell’interfaccia USB, che supera così i metodi lenti di connettività dei computer degli anni '90, rappresentati dalle interfacce seriali RS-232 e parallele Centronics. Oggi, l'interfaccia USB offre molto di più rispetto alla sola funzione iniziale di trasferimento dati, offrendo alimentazione e ricarica utilizzate quotidianamente da chiunque possieda un telefono cellulare. Anche la velocità di trasferimento dei dati è aumentata notevolmente.
USB - Un viaggio nel tempo
Sin dal suo debutto, lo standard USB 1.0 non solo ha permesso una velocità di trasferimento dati maggiore rispetto ad altre interfacce seriali in circolazione pari a 1,5 Mbps, ma ha anche introdotto la possibilità di sostituire a caldo (hot-swap) una periferica o un’unità di memoria flash. Disconnettere e connettere un dispositivo senza prima spegnere il computer non era infatti possibile nelle altre interfacce. Oltre a definire il protocollo software, lo standard USB 1.0 ha definito i primi formati di connettori USB, il Tipo A e il Tipo B. Il connettore Tipo A, utilizzato come connettore per il computer host e tuttora in uso, identifica ciò che tutti noi associamo tipicamente a un connettore USB. Il Tipo B, un connettore quadrato, ancora in uso oggi, è tuttavia meno diffuso rispetto al Tipo A (Figura 1).
Figura 1: I formati dei connettori USB Tipo A e Tipo B e l’assegnazione dei pin in evidenza (Fonte: CUI Devices)
L’USB ha rapidamente conquistato il mercato grazie all’interfaccia pratica a quattro fili, che offre un assemblaggio semplice di connettori e cavi. Due anni dopo, nel 1998, un protocollo aggiornato, l'USB 1.1, annuncia l'arrivo di velocità di trasferimento significativamente più elevate, fino a 12 Mbps a velocità massima, e dalla compatibilità con USB 1.0 che viene preservata, con il protocollo che passa automaticamente a 1,5 Mbps. Con i produttori di computer e periferiche che, abbandonato il supporto per altre interfacce puntano sull'USB, lo standard continua a diffondersi sempre di più sul mercato. Questo approccio attira anche il sostegno da parte di altri produttori di dispositivi e contribuisce ad ampliare ulteriormente la lista sempre più lunga di coloro che adottano l'USB. Nel 2000, l’USB Implementers Forum (USB-IF) lancia la specifica software USB 2.0 ad alta velocità, con una velocità di trasferimento dei dati fino a 480 Mbps. L’aumento di velocità porta con sé la possibilità di accedere a dispositivi di archiviazione esterna, dalle unità disco rigido ai flash drive. Questa specifica consente all'USB di alimentare i dispositivi collegati, erogando fino a 0,5 A a 5 V e lanciandolo come metodo di alimentazione. Fino ad allora, i connettori Tipo A e Tipo B erano i più utilizzati. La diffusione di hardware sempre più compatti porta all’introduzione di connettori Mini-USB, principalmente per sostituire quelli Tipo B, e poco dopo, nel 2007, di connettori Micro-USB (Figura 2). I connettori Mini-USB continuano ad essere impiegati nei dispositivi hardware preesistenti, ma la versione Micro-USB diventa rapidamente lo standard di connessione dominante. Inoltre, con l'evoluzione degli standard USB, il protocollo software USB si definisce in maniera più indipendente rispetto allo standard hardware del connettore USB.
Il 2008 è stato l’anno del rilascio del protocollo software USB 3.0 (successivamente noto come USB 3.2 Gen 1x1), che porta la velocità di trasferimento teorica a 5 Gbps. Questo aumento logaritmico della velocità è possibile, in parte, dal raddoppio del numero di fili utilizzati, portato da quattro a otto, seppur mantenendo la compatibilità con l'USB 1.0. La capacità di erogazione di potenza viene portata a 900 mA e viene introdotto il formato del connettore Tipo C (Figura 2). L’USB 3.1 (successivamente noto come USB 3.2 Gen 2x1) raddoppia la velocità di trasferimento portandola a 10 Gbps, seguito poco dopo dalla versione USB 3.2 (successivamente nota come USB 3.2 Gen 2x2) che, a sua volta, raddoppia nuovamente la velocità di trasferimento, portandola a 20 Gbps.
Figura 2: La serie completa di formati di connettori USB - non in scala (Fonte: CUI Devices)
La specifica USB 3.2 prende in considerazione anche il connettore Tipo C, il primo connettore nel suo genere che può essere inserito da entrambi i lati. Questo connettore si distingue per le dimensioni compatte e gli angoli arrotondati. Con l'avanzare degli standard USB, aumentano anche i tipi di dispositivi che li supportano. Il connettore Tipo C allarga lo spettro di applicazioni e introduce il concetto di utilizzo dell'interfaccia esclusivamente per la ricarica e l'alimentazione dei dispositivi.
Verso l’USB e oltre
Introdotta nel 2019, la specifica USB 4.0 raddoppia il throughput fino a 40 Gbps. Basata sul protocollo Thunderbolt 3 che usa un approccio a due corsie, questa specifica richiede l’uso di un connettore Tipo C. L’USB 4.0 ha anche delineato una modalità dedicata di trasferimento video oltre ad aver migliorato considerevolmente la capacità di erogazione della potenza (power delivery). Anche gli standard Tipo C e USB 3.2 hanno aumentato la capacità di erogare energia, con un intervallo di tensioni nominali in uscita fino a 48 VCC (Volt Corrente Continua) e un assorbimento di corrente fino a 5 A, fornendo fino a 240 W di potenza. La Figura 3 illustra gli standard di erogazione della potenza che si sono sviluppati individualmente ma in corrispondenza con i protocolli software USB.
Figura 3: L’evoluzione dell’erogazione della potenza (power delivery) nei protocolli USB (Fonte: CUI Devices)
La continua evoluzione dell’interfaccia USB ha accelerato ancora di più la sua diffusione, con la capacità di fornire quantità ancora più grandi di energia grazie alle prese di sola alimentazione Tipo C ora in circolazione. Con il successo sempre maggiore del formato connettore Tipo C, cresce sempre di più anche la frustrazione dei consumatori per la miriade di caricatori necessari a ricaricare i dispositivi. L'Unione Europea ha annunciato l'accordo provvisorio per una soluzione di ricarica unica per specifici dispositivi elettronici nel giugno 2022. I parlamentari europei hanno votato a larga maggioranza una nuova legge che impone a tutti i nuovi dispositivi portatili di utilizzare lo stesso cavo di ricarica. A partire dal 2024, tutti i nuovi smartphone e tablet dovranno disporre di una porta di ricarica USB Tipo C, che l'UE estenderà ai produttori di computer portatili nel 2026. Il governo britannico non ha ancora preso in considerazione l'implementazione di una legislazione simile, anche se è probabile che segua l'iniziativa dell'UE.
Implementare l’USB Tipo C
Nella scelta di una presa USB Tipo C, è fondamentale esaminare i requisiti dell’applicazione. Si tratta di una presa per la sola alimentazione o per dati e alimentazione? Inoltre, in che modo lo spazio disponibile sulla scheda influenzerà la posizione e l'orientamento della presa? Un esempio di presa USB 4 Tipo C è la serie UJ40 di CUI Devices (Figura 4). La serie UJ40 supporta la velocità di trasferimento dati di 40 Gbps dell'USB 4, ha una capacità nominale di 5 A e fino a 48 VCC ed è progettata per 10.000 cicli di vita. Questi connettori a montaggio superficiale conformi alla rifusione sono disponibili per l'orientamento orizzontale o verticale e presentano la classificazione di infiammabilità UL 94V-0. L'UJ40 può sopportare una tensione di 100 VCA, ha una resistenza di isolamento di 100 MΩ e una resistenza di contatto di 40 MΩ.
Figura 4: Le prese USB 4 Tipo C UJ40 di CUI Devices (Fonte: CUI Devices)
Per i requisiti di sola alimentazione, le prese CUI Devices UJC Tipo C offrono una struttura a 6 o 8 pin e sono disponibili in un package a montaggio superficiale orizzontale o verticale (Figura 5). Le prese sono disponibili con una corrente nominale di 3 A o 5 A per una tensione di alimentazione di 20 VCC.
Figura 5: La presa Tipo C UJC di CUI Devices per applicazioni USB di sola alimentazione (Fonte: CUI Devices)
L’ubiquità dell’USB
Da essere inizialmente concepito come collegamento delle periferiche per computer di terze parti, l'USB si è evoluto fino a diventare lo standard mondiale leader nel settore della connettività dati via cavo e di alimentazione per la tecnologia di consumo. Il futuro dell'USB è al sicuro grazie a un'eredità così imponente e a una velocità di trasferimento dati in costante aumento.
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