Los dispositivos USB están por todas partes, y todo el mundo con un smartphone se ha encontrado en algún momento mirando un puerto preguntándose si cargará su dispositivo.
El panorama de la alimentación se está simplificando con la convergencia de la industria en los estándares USB Power Delivery (PD), y con buenas implementaciones USB4 puede continuar esa tendencia. Garantizar la mejor experiencia de carga posible en múltiples casos de uso nuevos dependerá de varias decisiones de diseño de aplicaciones.

El objetivo principal del desarrollo de USB4 es duplicar la velocidad de datos en comparación con USB 3.2 (40 Gbps frente a los 20 Gbps anteriores) y permitir la compatibilidad con el protocolo Thunderbolt de Intel. USB4 utilizará exclusivamente el puerto USB tipo C, el puerto de aspecto ovalado con la hoja en el centro, famoso por aceptar cables incluso cuando se insertan al revés. Mientras que la inserción del cable puede ser más sencilla, la tecnología de carga detrás de los puertos USB4 debe incluir ahora USB PD, lo que añade complejidad. Las especificaciones de la generación anterior de USB que utilizaban el puerto tipo C tenían una opción para permitir PD; el USB4 la impone.

La entrega de alimentación es necesaria en USB4
La especificación PD se ha revisado para incluir nuevos mensajes para descubrir y pasar al modo USB4, pero los esquemas de alimentación son los mismos. Utilizan un bus de 300 kHz de un solo hilo en una de las líneas del Canal de Configuración (CC) de la interfaz USB tipo C para que el host y el dispositivo descubran y negocien la alimentación y los datos que van a transferir (Fig. 1). La otra línea CC asume el papel de "VCONN", una fuente de alimentación dedicada al marcador electrónico (un circuito de identificación dentro del cable USB). La energía suministrada entre los puertos USB se transfiere en un conjunto separado de cables dentro del conector (etiquetado como "VBUS"; véase la Fig. 2). Cuando dos dispositivos PD se conectan, utilizan el cable CC para detectarse mutuamente, comunicar sus capacidades de alimentación (qué voltajes y cuánta energía en cada voltaje), entender qué dispositivo debe ser fuente o receptor de energía, negociar cuánta energía entregar y, a continuación, proporcionar esa energía en VBUS. Esta señal digital de 300kHz también se utiliza para identificar que la conexión USB puede soportar un enlace USB4, por lo que no hay forma de implementar USB4 sin esta comunicación. Los puertos USB4 no necesitan suministrar o recibir ninguna potencia más allá de un mínimo de 5V / 900mA; pero deben soportar la comunicación PD para funcionar como USB4.

Histórico de alimentación en el bus serie universal
Para ver las experiencias de carga del usuario en USB4, es útil entender la historia de la energía a través del conector USB (véase la Fig. 2). El Universal Serie Bus estaba pensado originalmente para la comunicación de datos en serie, con un máximo de 100mA de corriente en el cable. Las especificaciones del USB 2.0 estaban limitadas a 500 mA en la línea VBUS; esto era adecuado para alimentar periféricos informáticos básicos. Los estándares del USB 3.0 aumentaron el límite de corriente a 900 mA, pero con los dispositivos portátiles convergiendo en un único conector para datos y alimentación, no era suficiente.
Los comités de USB publicaron las especificaciones de carga de la batería (BC), que terminaron con la especificación BC1.2 en 2010, que permitía 1,5 A (7,5 W); y en ese momento, muchos fabricantes de smartphones renunciaron a ser compatibles con la especificación USB.
Esto condujo a un protocolo de carga propietario que utilizaba niveles de voltaje fijados en las líneas D+ y D- (líneas de datos del USB): 2V en una línea y 2,7V en la otra podían dar una carga de 10W; 2,7V en ambas líneas de datos podían señalar una carga de 12W; 3,3V en cada línea hacían que el cargador proporcionara 20V (lo que podía ser perjudicial, si se aplicaba por error). Estos métodos no eran interoperables y los resultados eran imprevisibles. Además, las líneas de datos utilizadas para decidir los niveles de carga ya no estaban disponibles para los datos. Un puerto puede transferir archivos, o puede cargar más rápido, pero no ambas cosas. Cualquiera que haya sufrido la muerte de un teléfono durante la carga: ese puerto era posiblemente una conexión de datos que suministraba 500 mA según las especificaciones del USB 2.0.

Figura 2: Políticas de alimentación del USB a lo largo del tiempo. Los estándares propietarios variaban según el fabricante, mientras que las nuevas especificaciones USB solían mantener la compatibilidad con las anteriores.

Este problema motivó la primera especificación PD (revisión 1), que creó un estándar universal para la carga a voltajes alternativos (más de 5V) utilizando cables USB tradicionales de 4 pines. Mantener la compatibilidad con versiones anteriores exigía añadir una señal de saludo a la propia línea VBUS, lo cual era complicado de implementar y todo el asunto se desechó sin una adopción significativa. La USB-IF preferiría que todo el mundo olvidara que esta especificación se escribió alguna vez y, en términos prácticos, todo el mundo debería hacerlo. Este enfoque ya no es válido ni tiene soporte.

Hoy en día, existen las versiones PD 2.0 y 3.0, y las especificaciones de la fuente de alimentación programable (PPS) incluidas. Estas se crearon junto con el puerto USB tipo C, con conexiones de señal añadidas. Las diferencias entre las versiones 2 y 3 radican principalmente en los detalles de la comunicación CC. Ambas son compatibles con implementaciones USB anteriores (excluyendo la revisión 1 de la PD) y las experiencias de los usuarios serán las mismas. Los dispositivos negocian los perfiles de carga, potencialmente hasta incrementos de 20mV (bajo implementaciones PPS). Los dispositivos con capacidad PD pueden (pero no están obligados a) soportar hasta 100W de transferencia de energía dentro de la especificación (5A a 20V). Los esquemas propietarios para anunciar perfiles de carga alternativos utilizando las líneas de datos están explícitamente prohibidos, pero el USB tipo-C también permite una carga simplificada de 1,5A y 3A a 5V (reconocida por resistencias en el pin CC, en lugar de la señal digital). Los puertos de tipo C no requieren PD, pero la PD sí requiere un puerto de tipo C, que es donde el USB4 cambia las cosas (ver Fig. 3); el USB4 utiliza la comunicación PD para habilitar el modo USB4.

Figura 3: Relación entre los datos USB y la alimentación USB - El USB 2.0 puede existir en cualquier cable USB, con o sin suministro de energía en un cable tipo-C. USB3.x requiere un cable con líneas de supervelocidad adicionales, con o sin suministro de energía de alimentación en un cable de tipo C. USB4 sólo puede existir en una conexión de tipo C, con comunicación Power Delivery. Power Delivery sólo puede existir en una conexión de tipo C, pero no requiere datos.

Aunque los nuevos dispositivos seguirán las nuevas especificaciones simplificadas, la complejidad de la carga de USB proviene de todos estos estándares heredados, todos los cuales siguen existiendo en puertos más antiguos, y un nuevo puerto USB4 puede conectarse a cualquiera de esos puertos heredados (véase la Tabla 1).

Tabla 1: Conexiones de alimentación USB

Casos de uso y experiencias de los usuarios
Intentar mantener cinco generaciones de compatibilidad con versiones anteriores crea un complicado panorama de posibles conexiones de alimentación. Deja un gran interrogante sobre qué pasa con todos los puertos y cables USB más antiguos, y los usuarios pueden seguir preguntándose "¿se cargará?".

Afortunadamente, ignorando las especificaciones propietarias, la mayor parte de esa historia se reduce a unas pocas experiencias de usuario posibles. Aunque todos se cargarán, puede que no todos lo hagan rápidamente.

Hay fundamentalmente cuatro casos de uso a considerar en el contexto de USB4:
1. Un puerto de carga heredado se conecta a un dispositivo USB4 tipo C mediante un cable adaptador
2. Un cargador USB4 tipo C se conecta a un puerto heredado utilizando un cable adaptador
3. Un puerto USB4 tipo C se conecta a un puerto no USB4 tipo C con un cable C-C, y coloca un divisor resistivo en la línea CC
4. Dos puertos tipo C se conectan con un cable C-C, y se comunican en las líneas CC; cualquiera de ellos, o ambos, podrían ser dispositivosUSB4

En términos de estándares USB, el conector Apple Lightning de 8 pines lleva las mismas señales que un cable USB 3.x heredado. Los puertos USB4 que se conecten mediante cables adaptadores de tipo C a Lightning se comportarán de forma similar a los cables de tipo C a micro-B, o de tipo C a tipo A, en términos de funcionalidad de alimentación. A continuación, se presenta un resumen de lo que se puede esperar en cada caso de uso de la carga:

Puerto de carga heredado conectado a un dispositivo USB4 mediante un cable adaptador
Los puertos heredados, como los de tipo A y tipo B, pueden haber sido creados antes de las especificaciones de tipo C (véase la figura 1). No existía, ni existirá, un requisito para que estos puertos implementen algún esquema específico de carga más rápida. Un puerto USB 2.0 podría cargar por defecto a 500 mA, o un puerto USB 3.x podría cargar por defecto a 900 mA. La buena noticia es que la mayoría de los puertos USB más nuevos son compatibles con BC1.2 y proporcionan 7,5 W. No importa qué tipo de cable adaptador se utilice, el dispositivo USB4 o tipo-C conectado al puerto de carga heredado no puede consumir más de 7,5W de energía sin violar las especificaciones USB.

Puerto de carga USB4 conectado a un dispositivo heredado mediante un cable adaptador
En los casos en los que un puerto de carga USB4 está conectado a un dispositivo heredado, pueden ocurrir algunos resultados posibles. El puerto USB4 podría anunciar 1,5A utilizando los estándares BC1.2, y el cable podría llevar 7,5W. Si el USB4 no está configurado para soportar la sobrecarga adicional de BC1.2, el puerto USB4 tendrá que pasar por defecto a 500mA para una conexión de datos USB 2.0, o 900 mA para una conexión de datos USB 3.x. Esto provocará cierta frustración en el usuario, ya que el puerto USB más elegante puede resultar en la carga más lenta cuando se utiliza con cables adaptadores.

USB4 a no USB4 Tipo C, con divisores resistivos
Si el proveedor de energía o el consumidor está utilizando el método de divisores resistivos de tipo C para anunciar las capacidades de energía, eso dictará la transferencia de energía. El dispositivo USB4 no podrá comunicarse en las líneas CC, pero seguirá reconociendo el accesorio, la relación proveedor/consumidor y el límite de corriente (1,5A o 3A) utilizando fuentes de corriente o resistencias conectadas a las líneas CC. La tensión del bus se mantendrá en 5V, y el dispositivo de carga podrá consumir hasta 7,5W o 15W. Como el dispositivo sabe que no está en modo PD, puede indicar que no está en carga rápida para una experiencia de usuario clara.

Tipo-C a Tipo-C, con comunicación PD
Esta es potencialmente la conexión USB4 más capaz en términos de transferencia de energía, pero los resultados exactos variarán. Los dos dispositivos conectados negociarán un contrato de energía basado en sus capacidades, hasta 20V y 5A. Parte de la negociación es el papel de proveedor o consumidor de energía. Es posible conectar dos consumidores de energía, que negociarían no transferirla (y este es un caso de uso válido para la transferencia de datos entre dispositivos portátiles). Los puertos proveedores pueden estar marcados con un símbolo de batería, por lo que en muchos casos los usuarios sabrán qué puertos de una base o de un portátil están configurados para proporcionar alimentación. En ese caso, el puerto que proporciona alimentación debe ser capaz de suministrar al menos 1,5A a 5V (7,5W, igual que BC1.2) para utilizar un logotipo de carga aprobado por USB-IF. No se garantiza la disponibilidad de niveles de potencia superiores incluso en un puerto de tipo C etiquetado con un icono de carga. Dado que el contrato de potencia podría ser cualquier nivel de potencia desde 7,5W hasta 100W, el usuario sólo sabrá lo que está ocurriendo si uno de los dispositivos informa sobre el contrato (indicando un nivel de potencia o una conexión de carga rápida). Este caso de uso tiene ciertamente el potencial de crear experiencias de usuario impredecibles y frustrantes, pero con buenos informes e interfaces de usuario, también podría ser una experiencia de usuario perfecta.

Conclusión
La incorporación de USB4 añadirá mucho ancho de banda y capacidades a las aplicaciones USB que pueden utilizarlas, pero USB 2.0 y USB3.x seguirán viviendo en aplicaciones que pueden vivir con menos transferencia de datos. Los casos de uso de energía se multiplicarán, pero con un diseño inteligente de las aplicaciones esto no tiene por qué crear malas experiencias de usuario.

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Autor: Fionn Sheerin, ingeniero principal de marketing de productos, división de alimentación e interfaces analógicas, Microchip Technology