Bez USB-C v autě to už nejde?

Proč byste neměli rezignovat na USB-C ve svém vozidle, jaké výzvy jeho integrace do vozidla znamená a jaká jsou možná řešení 

Digitální revoluce běží na plné obrátky ve všech oblastech života, nevynechává ani automobilový průmysl. Mobilní koncová zařízení jsou našimi každodenními průvodci a v autech jsou už neodmyslitelná. Svou kancelář i obývací pokoj si tak bereme všude se sebou. Přitom se nechceme vzdát aplikací, které jsou náročné na spotřebu energie a dat. Rychle si dobít notebook nebo mobilní telefon v autě dnes patří k samozřejmostem. Abychom mohli tuto mobilní flexibilitu zajistit, jsou ve vozidle potřebné stále rychlejší systémy dobíjení a přenosu dat. K nejnovějšímu standardu patří rozhraní USB Type-C.

Chcete do svého auta integrovat USB-C? Seznamte se zde se všemi důležitými poznatky na téma USB Type-C, na co musíte pamatovat při integraci do vozidla a jaká jsou možná řešení.

Po „A“ přichází „C“. Výhody USB-C ve vozidle

Rozhraní USB jsou dnes ve vozidlech absolutní nutností. Pod zkratkou USB se skrývá anglický výraz „Universal Serial Bus“, univerzální sériová sběrnice. Ta nám umožňuje propojit počítač s externími digitálními zařízeními.  Pomocí vhodného kabelu je možné využít tohoto rozhraní USB k vyvolávání dat mobilních zařízení i ve vozidle. Zpočátku to byly většinou soubory s hudbou na přehrávačích MP3, které tak bylo možné spravovat a přehrávat pomocí audiozařízení ve vozidle. A mělo to i příjemný vedlejší efekt: docházelo současně k dobíjení zařízení. V současnosti slouží připojení USB často také k zobrazování aplikací a obsahu chytrého telefonu na velkých displejích ve vozidle (Apple CarPlay, Android Auto, MirrorLink).

USB Type-C je novým standardem. Ten nabízí výrazné rozšíření možností v porovnání se svým předchůdcem USB Type-A.

Výrazné rozšíření možností díky USB-C

Power Delivery
Kromě již etablované funkce dobíjení zařízení Apple, USB 2.0 a USB 2.0 BC 1.2 umožňuje nový standard Type-C navíc funkci nabíjení USB Power Delivery (PD) o výkonu až 100 wattů. Dále tento standard podporuje technologii USB PD 3.0 (PPS – Programmable Power Supply), známou jako „fast charging“, která je používána především u nových generací mobilních rádiových zařízení.

Nové protokoly přenosu dat USB
USB Type-C také významně profituje z nových protokolů USB pro přenos dat. Kromě běžné vysokorychlostní varianty USB 2.0 High Speed s rychlostí přenosu dat 480 Mbit/s zahrnuje nový standard protokoly jako USB 3.2 Gen1 SuperSpeed s přenosovou rychlostí až 5 Gbit/s a USB 3.2 Gen2 SuperSpeed+ s rychlostí přenosu až 10 Gbit/s.

USB Alternate Modes
Systém podporuje také USB Alternate Modes, které umožňují do značné míry nativní přenos videosignálů, jako je HDMI, Display Port, MHL nebo dokonce Thunderbolt, přes adaptér a kabely USB Type-C. K přenosu musí být do mobilního zařízení integrován například určitý druh funkce desktopového režimu (desktop mode), která dovoluje připojit k zařízení externí periferní zařízení, jako je monitor, myš nebo klávesnice a následně zařízení používat podobně jako počítač. Především v rámci zábavních systémů pro zadní sedadla (rear seat entertainment) tak vzniká řada nových možností využití, jako je nastavení mobilního pracoviště nebo použití integrovaného displeje pro optimální dojem jako při sledování filmů v kině.

Výhody na první pohled

Výzvy při integrování do vozidla

Integrování modulů USB Type-C do vozidla je spojeno s některými výzvami. Následkem vyššího nabíjecího výkonu až 100 wattů dochází při použití standardních nabíjecích modulů uvnitř vestavěných modulů k výraznému zahřívání v důsledku použité nabíjecí elektroniky. K zabránění takového zahřívání by bylo možné zvětšit objem modulu. Takové vyšší nároky na montážní prostor ovšem zpravidla není možné v rámci palubní desky splnit, proto o ně různá vývojová oddělení OEM mezi sebou bojují.

Přístup k řešení

Ideálním řešením by bylo externí zákazníkovo rozhraní. Externí v této smyslu znamená přesunutí nabíjecí elektroniky z tohoto modulu do centrální řídicí jednotky a připojení vlastního zákazníkova rozhraní (zdířky USB Type-C) pomocí kabelu, navrženého právě k tomuto účelu. Díky tomu by bylo možné drasticky minimalizovat spotřebu montážního prostoru v palubní desce a odvést odpadní teplo jinam.

Přitom jsme ovšem limitováni přenosovou vzdáleností, protože současně s délkou kabelu dochází k určitému poklesu napětí, který závisí na velikosti proudu a na průřezu vodičů. Důsledkem je, že signál USB postupně slábne a v místě zákazníkova rozhraní už nemusí odpovídat normě.

Z tohoto důvodu platí: „Ruce pryč od levných kabelů“

Standardní uživatelské adaptérové kabely jsou na základě svého malého průřezu a jednoduché struktury kabelu navrženy většinou pro délky maximálně do 1 metru.

Delší přenosové vzdálenosti vyžadují zvlášť k tomu navržené kabely s odpovídajícími průřezy vodičů pro vysoké nabíjecí proudy a velké objemy dat. Takové kabely jsou nutné jak pro interní propojení od zdroje po zákazníkovo rozhraní, tak pro externí propojení od zákazníkova rozhraní ke spotřebiči, protože obě kabelové trasy tvoří společný článek.

Zde specifikuje USB.org pro kompletní přenosový článek (od zdroje po cíl) maximální pokles napětí 250 mV tak, aby byla zajištěna bezvadná funkce přenosu signálu. Pouze tak je možné udržet integritu signálu, popisovanou ve specifikacích USB.

Jakmile ji již nelze spolehlivě zaručit, dochází rychle k chybám datové komunikace nebo k funkci zdánlivého nabíjení, během které zařízení sice indikuje proces nabíjení, ale není k dispozici potřebný nabíjecí proud pro nabíjení odpovídající předpisu.

S takto optimalizovaným systémem by bylo možné realizovat i delší interní kabelové propojení, jako je např. spojení z bodu do bodu mezi řídicími jednotkami nebo externí zákaznická rozhraní pro funkce přenosu dat a nabíjení.

Shrnutí a doporučení

Ke splnění nejnovějších standardů se budou nabíjecí proudy mobilních koncových zařízení v budoucnu stále zvyšovat. Aktuální cíle zahrnují napájení 5 A případně až do 20 V, přenosové rychlosti výrazně vyšší než 1 Gbit/s a další formy signálů, jako jsou Alternate Modes při současně stále menším montážním prostoru.

Aktuálně neexistuje mnoho konektorových systémů, které by spojovaly funkce do jediného kabelu.

Inteligentní kombinace etablovaného uživatelského konektoru s konstrukcí těla pro automobilový průmyslu ve výsledku znamená konektorový systém USB-C, který je ideálním řešením pro budoucí generace vozidel.

Vysoké požadavky automobilového průmyslu a stále vyšší objemy přenášených dat za běžných okolností nepřipouštějí žádné „levné řešení“. Proto i zde platí: Nešetřit na kvalitě a raději investovat o pár korun navíc do návrhu nového systému. Jen tak je možné zaručit trvale a bezvadně funkční přenos dat.