วิธีลดความซับซ้อนของการเชื่อมต่อโดยใช้ USB-C

คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล แล็ปท็อป และแท็บเล็ตต่างมีขนาดลดลงเรื่อย ๆ ทำให้เหลือพื้นที่สำหรับอินเทอร์เฟซและพาวเวอร์คอนเนคเตอร์เพียงเล็กน้อย ในขณะเดียวกัน อัตราการรับส่งข้อมูลก็เพิ่มขึ้น และมีจำนวนมาตรฐานอินเทอร์เฟซข้อมูล เสียง และวิดีโอเพิ่มมากขึ้น โดยแต่ละมาตรฐานมีตัวเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซที่แตกต่างกัน แต่ผู้ใช้ยังคงต้องการความเรียบง่ายและความยืดหยุ่น โซลูชันปัญหาเหล่านี้คือคอนเนคเตอร์ USB Type-C™ (USB-C)

บทความนี้จะอธิบายโดยสังเขปเกี่ยวกับข้อกำหนดการเชื่อมต่อที่ทันสมัย และวิธีที่สามารถตอบสนองข้อกำหนดเหล่านี้ได้โดยใช้ USB-C ประกอบด้วยด้อกกิ้ง USB-C, คอนเนคเตอร์ และตัวอย่างสายเคเบิลจาก Tripp Lite by Eaton และแสดงให้เห็นว่าสามารถใช้อุปกรณ์ดังกล่าวเพื่อทำให้การเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ ง่ายขึ้นได้อย่างไร

มาตรฐาน USB

มาตรฐานอินเทอร์เฟซ USB เริ่มต้นเป็นบัสต่อพ่วงสำหรับอินเทอร์เฟซคอมพิวเตอร์ เช่น แป้นพิมพ์ เมาส์ และหน่วยความจำแบบถอดได้ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ได้พัฒนาจนกลายเป็นมาตรฐานต่างๆ มากมายจนกลายเป็นอินเทอร์เฟซชั้นนำสำหรับคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์ต่อพ่วง และโทรศัพท์ นอกจากนี้ยังเพิ่มการจ่ายพลังงาน (PD) และเปิดใช้งานช่องสัญญาณของโปรโตคอลต่างๆ เช่น DisplayPort (DP), อีเธอร์เน็ต และอินเทอร์เฟซมัลติมีเดียความละเอียดสูง (HDMI) โดย USB4 เวอร์ชันล่าสุดรองรับอัตราข้อมูล 40 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) และ PD สูงถึง 240 วัตต์ (Rev. 3.1) และยังคงรักษาความเข้ากันได้กับเวอร์ชันมาตรฐานก่อนหน้า เช่น USB 3.2 และ USB 2.0

คอนเนคเตอร์ที่ใช้กับ USB ได้พัฒนาจากคอนเนคเตอร์ USB-A และ USB-B และคอนเนคเตอร์รุ่นต่าง ๆ เป็นคอนเนคเตอร์ USB-C ในปัจจุบัน โดย USB 3.2 Gen 2 ซึ่งรองรับการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด 10 Gbps เป็นมาตรฐาน USB ล่าสุดที่อนุญาตให้ใช้คอนเนคเตอร์ USB-A และ USB-B รุ่นเก่าได้ ซึ่ง USB 3.2 Gen 2x2 รองรับอัตราข้อมูล 20 Gbps และต้องใช้คอนเนคเตอร์ USB-C เช่นเดียวกับ USB4

คอนเนคเตอร์ USB-C

คอนเนคเตอร์ USB เช่น USB-C แตกต่างจากมาตรฐานอินเทอร์เฟซ USB เช่น USB4 คอนเนคเตอร์ USB ที่ประกอบด้วยปลั๊กและเต้ารับได้รับการระบุแยกต่างหากโดย USB Implementers Forum (USB-IF) สำหรับความสามารถในการรับส่งข้อมูลและกำลังไฟ คอนเนคเตอร์ USB-C มีขนาดเล็ก โดยมีขนาดใหญ่กว่าขั้วต่อไมโคร USB-A เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็ก

คอนเนคเตอร์ USB-C ใช้พิน 24 พินที่จัดเรียงเพื่อจับคู่หน้าสัมผัสที่ตรงกันในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ทำให้คอนเนคเตอร์สามารถกลับด้านได้ การกำหนดพินเอาท์สัญญาณของคอนเนคเตอร์ USB-C ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับฟังก์ชันพลังงาน ข้อมูล และการควบคุมของมาตรฐาน USB (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แสดงการกำหนดพินสัญญาณของคอนเนคเตอร์ USB-C หน้าสัมผัสที่ตรงกันสามารถเชื่อมต่อได้ในทิศทางใดก็ได้ ทำให้ขั้วต่อกลับด้านได้ (แหล่งที่มาภาพ: Tripp Lite by Eaton)

USB PD เป็นข้อกำหนดการจ่ายพลังงานแบบโต้ตอบที่ช่วยให้อุปกรณ์สามารถสื่อสารกับแหล่งจ่ายไฟ, แหล่งรับไฟ (โหลด), และระดับพลังงานที่จ่ายโดยใช้ VBUS และพินกราวด์ มีหน้าสัมผัสกำลังไฟ VBUS สี่จุดและกราวด์กำลังสี่จุด ระดับพลังงานสูงสุดกำหนดโดยมาตรฐาน USB ที่ใช้ในอุปกรณ์ และเป็นไปตามข้อกำหนด USB PD หน้าสัมผัสจ่ายพลังงานระหว่างแหล่งพลังงานและอุปกรณ์โหลดใน USB PD จะสื่อสารกันโดยใช้สายการกำหนดค่าช่องสัญญาณ (CCx)

CCx ใช้เพื่อตรวจจับการวางแนวการเชื่อมต่อและการกำหนดค่าช่องสัญญาณ นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการควบคุมพลังงานและการส่งสัญญาณด้วย USB PD ใน USB PD ระดับพลังงานสูงสุด 240 วัตต์จะสามารถใช้งานได้โดยอิงจากแรงดันไฟฟ้า 48 โวลต์ที่ระดับกระแสไฟ 5 แอมแปร์ (A) แม้ว่าสาย USB-C ทั้งหมดจะมีสาย CCx และรองรับ USB PD แต่สายเหล่านั้นอาจไม่รองรับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ระบุใน USB PD ผู้ใช้ควรดูเอกสารข้อมูลสายเคเบิลสำหรับระดับพลังงานที่รองรับ

D+ และ D จะรักษาความเข้ากันได้กับมาตรฐาน USB 2.0 รุ่นเก่า ซึ่งทำงานที่อัตราข้อมูลต่ำกว่า USB เวอร์ชันปัจจุบัน

พินสีน้ำเงินประกอบด้วยคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลสี่คู่ ทำให้เกิดช่องข้อมูลสองช่องที่รองรับ SuperSpeed USB รองรับอัตราข้อมูล 10 Gbps สำหรับ USB 3.2 Gen 2x1, 20 Gbps สำหรับ USB 3.2 Gen 2x2 และ 40 Gbps สำหรับ USB4 Gen 3x2

สาย Sideband Use (SBU1 และ SBU2) เป็นสัญญาณเสริมที่ใช้ในโหมดสื่อสำรองที่รองรับโดยข้อกำหนด USB-C เพื่อให้สามารถใช้งานชุดคอนเนคเตอร์ได้อเนกประสงค์ ช่อง AUX จัดการการจัดการลิงก์และการควบคุมโหมดทดสอบ หลังจากตั้งค่าหน้าสัมผัสพลังงานระหว่างอุปกรณ์แล้ว USB PD จะสามารถเริ่มต้นการเชื่อมโยงข้อมูลโหมดทางเลือก (โหมด Alt) เช่น DP โดยจะสื่อสารการสร้างเส้นทางสื่อสารแบบแฮนเชคในโหมด Alt โดยใช้ข้อความที่เวนเดอร์กำหนด (VDM) ผ่านลิงก์ SBU หลังจากการสื่อสารโหมด DP Alt แล้ว DP จะทดสอบการลิงก์เพื่อสร้างการเชื่อมต่อ โดยการทดสอบ DP link ปรับการเชื่อมโยงระหว่างแหล่งจ่ายไฟและแหล่งรับไฟ DP ให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งสำหรับการสตรีมข้อมูล โหมด DP Alt ช่วยให้สาย USB-C จัดการข้อมูล USB, อาเรย์กราฟิกวิดีโอ (VGA), อินเทอร์เฟซภาพดิจิทัล (DVI), HDMI และสัญญาณวิดีโอ DP

ตัวเลือกสำหรับการส่งโปรโตคอลสำรองผ่าน USB คือโปรโตคอลทันเนลลิ่ง โปรโตคอลทันเนลลิ่งจะสร้างดาต้าไปป์ในโปรโตคอลหนึ่ง ซึ่งส่งข้อมูลจากโปรโตคอลอื่นผ่านสายเคเบิล เมื่อใช้กลไกนี้ ทันเนล USB-C สามารถส่งข้อมูล DP หรือ PCIe ระหว่างอุปกรณ์ได้

สาย USB-C

สาย USB-C มีความยาว การจัดการพลังงาน และความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลที่หลากหลาย เพื่อให้ตรงกับมาตรฐาน USB ที่ใช้อยู่ Tripp Lite by Eaton มีสาย USB-C เกือบร้อยประเภทเพื่อให้มีฟังก์ชันและตัวเลือกการขยายที่หลากหลายสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ขั้วต่อ USB-C

ตัวอย่างที่ดีก็คือ U520-31N, สาย USB4 พร้อมปลั๊กที่ปลายแต่ละด้าน ซึ่งรองรับโหมด DP Alt ซึ่งให้ความละเอียดวิดีโอ 4K หรือ 8K ที่อัตราการรีเฟรช 60 เฮิรตซ์ (Hz) นอกจากนั้น U520-31N ยังเข้ากันได้กับ USB PD และมีพิกัดกระแส 5 A ที่ 20 โวลต์เพื่อจ่ายไฟ 100 วัตต์ สายเคเบิลยาว 2.6 ฟุต (0.7925 เมตร) และมีอัตราการถ่ายโอนสูงสุดที่ 40 Gbps โดยอัตราการถ่ายโอนสูงสุดของสาย USB-C จะแปรผกผันกับความยาว

เพื่อการเปรียบเทียบว่า MTB3-01M5-5A-B (รูปที่ 2) เป็นสายเคเบิลที่รองรับ USB 3.2 Gen 2x2 ซึ่งสามารถจัดการข้อมูลที่อัตราการถ่ายโอน 20 Gbps ซึ่งรองรับความละเอียดวิดีโอ 4K ที่ 60 Hz เช่นเดียวกับสาย USB4 คือ USB PD ที่รองรับกำลังไฟฟ้า 100 วัตต์เท่ากัน สายเคเบิลนี้มีความยาว 5 ฟุต (1.5 ม.) จึงมีอัตราข้อมูลสูงสุดที่ต่ำกว่า

รูปที่ 2: MTB3-01M5-5A-B คือสาย USB 3.2 Gen 2x2 ที่รองรับอัตราข้อมูลสูงสุด 20 Gbps (แหล่งที่มาภาพ: Tripp Lite by Eaton)

อะแดปเตอร์ USB-C

อะแดปเตอร์เชื่อมต่อกับพอร์ตอินพุต/เอาท์พุต (I/O) บนคอมพิวเตอร์และแปลงโปรโตคอลไปเป็นมาตรฐานอื่น ตัวอย่างเช่น Tripp Lite by Eaton U436-06N-GB-C เป็นอะแดปเตอร์เครือข่าย USB-C เป็น Gigabit ที่ใช้งานได้กับอุปกรณ์ที่ใช้ USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 หรือ USB 3.2 Gen 1 ที่มีอัตราข้อมูลสูงสุด 5 Gbps (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: U436-06N-GB-C คืออะแดปเตอร์ USB-C เป็น Gigabit Ethernet พร้อมพอร์ตชาร์จ USB-C (แหล่งที่มาภาพ: Tripp Lite by Eaton)

ขั้วต่ออินพุตเป็นปลั๊ก USB-C และเอาต์พุตเป็นแจ็ค Ethernet RJ-45 อะแดปเตอร์ยังมีแจ็ค USB-C ที่สามารถจ่ายไฟได้สูงสุด 60 วัตต์ (20 โวลต์ที่ 3 A) อะแดปเตอร์นี้อนุญาตให้แล็ปท็อปที่มีเฉพาะ USB-C สามารถใช้การเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตแบบมีสายได้ หากการเชื่อมต่อไร้สายไม่พร้อมใช้งานหรือช้าเกินไป

เนื่องจากมาตรฐาน USB สามารถรองรับโปรโตคอลที่แตกต่างกันได้มากมาย จึงเป็นเรื่องปกติที่จะมีอะแดปเตอร์หลายพอร์ตเกิดขึ้น โดยอะแดปเตอร์เหล่านี้มักจะมีพอร์ตการสื่อสารข้อมูลที่ไม่มีในแล็ปท็อปขนาดเล็กอีกต่อไป

ตัวอย่างที่ดีก็คือ U444-06N-H4GUC2 อะแดปเตอร์นี้รองรับเสียงดิจิทัล วิดีโอ 4K ที่ 60 Hz, USB PD และ Gigabit Ethernet จากพอร์ต USB-C ของคอมพิวเตอร์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: อะแดปเตอร์มัลติพอร์ต U444-06N-H4GUC2 เพิ่ม HDMI, อีเทอร์เน็ต, พอร์ตชาร์จ USB-C และพอร์ต USB-A ให้กับคอมพิวเตอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Tripp Lite by Eaton)

พอร์ต USB-A บน U444-06N-H4GUC2 สามารถจ่ายไฟได้ 7.5 วัตต์ (5 โวลต์ที่ 1.5 A) ในขณะที่พอร์ตชาร์จ USB-C ให้พลังงาน 25 วัตต์ (5 โวลต์ที่ 5 A)

ด็อคกิ้งสเตชั่นเปลี่ยนแล็ปท็อปให้เป็นเวิร์กสเตชัน

ด็อคกิ้งสเตชั่นขยายการเชื่อมต่อของแล็ปท็อปโดยการเพิ่มพอร์ตหลายพอร์ตผ่านตัวเชื่อมต่อ USB-C โดยพื้นฐานแล้วจะแปลงแล็ปท็อปให้เป็นเวิร์กสเตชันแบบมัลติฟังก์ชั่น ตัวอย่างเช่น USB-C รุ่น U442-DOCK2-S ของ Tripp Lite by Eaton เพิ่มพอร์ตเฉพาะสำหรับ HDMI, mini DP, VGA, Ethernet, หน่วยความจำ SD และ microSD, การจ่ายไฟ USB-C และคอนเนคเตอร์ USB-A สามช่อง (รูปที่ 5) มีช่องเสียบหูฟังขนาด 3.5 มม. รวมอยู่ด้วย

รูปที่ 5: ด็อคกิ้งสเตชั่น USB-C U442-DOCK2-S เพิ่มจำนวนและประเภทพอร์ตที่พร้อมใช้งานจากแล็ปท็อป รวมถึงเสียง วิดีโอ หน่วยความจำ USB และอีเทอร์เน็ต (แหล่งที่มาภาพ: Tripp Lite by Eaton)

พอร์ต mini DP และ HDMI รองรับความละเอียด 4K x 2K ที่วิดีโอ 30 Hz และพอร์ต VGA รองรับความละเอียด 1080P ที่ 60 Hz พอร์ตอีเทอร์เน็ต RJ-45 รองรับอีเทอร์เน็ต 10/200/1000 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) พอร์ต USB-A ทั้ง 3 พอร์ตสามารถใช้กับอุปกรณ์ต่อพ่วง USB เช่น แป้นพิมพ์ เมาส์ แฟลชไดรฟ์ เครื่องพิมพ์ หรือสมาร์ทโฟน โดยสามารถจ่ายไฟ DC ได้สูงสุด 7.5 วัตต์ (5 โวลต์ที่ 1.5 A) ซึ่งพอร์ตชาร์จ USB-C แบบสองทิศทางสามารถรองรับกระแสไฟได้สูงสุด 60 วัตต์ (20 โวลต์ที่ 3 A)

พอร์ต USB-C ของแล็ปท็อปช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซได้หลากหลายโดยใช้ความสามารถหลายโปรโตคอลของมาตรฐาน USB

สรุป

คอนเนคเตอร์ USB-C รองรับการรับส่งข้อมูลสูงสุด 40 Gbps, PD สูงสุด 120 วัตต์ และสามารถเสียบกลับด้านได้ เพื่อช่วยใช้ประโยชน์จากความสามารถอย่างเต็มที่ Tripp Lite by Eaton จึงขอนำเสนอโซลูชัน USB-C ที่หลากหลายในรูปแบบของสายเคเบิล อะแดปเตอร์ และด็อคกิ้งสเตชั่น เพื่อรองรับฟังก์ชันการทำงานและการเชื่อมต่อที่ทรงพลังจากตัวเชื่อมต่อ USB-C เดียว