Opladen via USB-C tot 240 watt

Opladen via USB-C is al vrij standaard voor smartphones en compacte laptops. De stekker kan tot 100 watt leveren als de voedingsadapter zoveel vermogen kan leveren. Die 100 watt wordt in de toekomst 240 watt.

Voor krachtige laptops met snelle 3D grafische chips was het in de norm gespecificeerde maximum niet genoeg, wat leidde tot een ongecontroleerde groei. Zo zijn bij de gaming-laptops en mobiele workstationsvoedingen met klassieke ronde stekkers nog steeds gebruikelijk. Die zijn niet uitwisselbaar tussen laptops van verschillende fabrikanten.

Dell heeft de USB-C-standaard daarentegen eigenhandig uitgebreid naar 130 watt, maar dat werkt alleen voor bepaalde combinaties van de eigen laptops en voedingen. Het normalisatiecomité Universal Serial Bus Implementers Forum (USB-IF) heeft zich over die zaak gebogen.

In de toekomst zal een laadvermogen tot 240 watt mogelijk zijn. Afgezien van een paar bijzonder logge mobiele apparaten met desktopprocessors, is dat genoeg voor het merendeel van alle krachtige laptops en opent het nieuwe mogelijkheden voor de energievoorziening van andere soorten apparaten.

Meer achtergrondartikelen over USB-C en Power Delivery lezen? Schrijf je in voor onze nieuwsbrief:

De uitbreiding van 100 naar 240 watt vergt nieuwe revisies van twee specificaties. De ‘USB Type-C ­Cable and Connector Specification’, die de elektrische parameters van stekkers, stopcontacten en ­kabels definieert, werd opgetrokken tot revisie 2.1.

De ‘USB Power Delivery Specification’ met de protocolverfijningen is beschikbaar in revisie 3.1. Die dubbele aanpassing was nodig om nieuwe spannings­niveaus te definiëren voor een Extended ­Power Range (EPR), die bredere implicaties heeft. Voorheen stopte USB-C bij 20 volt. Met de EPR-­uitbreiding zijn nu ook 28, 36 en 48 volt mogelijk.

Bij alle niveaus mag er nog steeds tot 5 ampère ­stromen – een belangrijk verschil met de hierboven genoemde eigen 130-watt uitbreiding van Dell, die 6,5 ampère levert bij 20 volt. De sterkere EPR-fasen zullen de USB-C-kabels dus niet dikker (en daarmee stijver) maken dan ze al zijn.

Toch zijn er aanpassingen nodig: in de connectors zijn andere condensatoren nodig, zodat er geen vonkvorming optreedt als ze onder spanning worden losgetrokken, wat de contacten zou bescha­digen. Analoog aan de USB-C-kabels die zijn goedgekeurd voor 5 ampère, hebben EPR-kabels een elektronische markering die aangeeft dat ze bestand zijn tegen maximaal 50 volt.

Zonder een dergelijke markering stroomt er maximaal 3 ampère in de gangbare modus, die nu Standard Power Range (SPR) wordt genoemd. Aangezien het menselijk oog niet zo goed in staat is elektronische markeringen te lezen, moeten EPR-kabels ook zijn voorzien van een zichtbare markering.
Op protocolniveau zijn nieuwe procedures vastgelegd.

In de bekende SPR-modus was er al communicatie tussen de partners: een bron moest een verbruiker vertellen welke modi hij aanbiedt, en de verbruiker moest vertellen welke modus hij zou willen hebben. Pas na dergelijke communicatie werd er meer dan de standaard 5 volt voor usb geleverd (als ze het daarover eens werden).

EPR gaat om veiligheidsredenen in verschillende opzichten nog een stap verder. De onderhandeling over een EPR-modus wordt pas gestart wanneer beide partners het vooraf eens zijn geworden over een SPR-verbinding.

Anders dan bij zo’n verbinding, moeten beide partners ook na de onderhandeling voortdurend met elkaar blijven communiceren.

Als de verbruiker niets van zich laat horen, onderbreekt de bron de hoge spanning onmiddellijk en start hij een nieuwe SPR-onderhandeling bij 5 volt. Om­gekeerd kan een verbruiker op elk moment ­vragen om de EPR-modus te beëindigen door weer een SPR-spanning van 20 volt of lager aan te vragen.

Een bron hoeft zijn EPR-capaciteiten daarna niet bekend te maken, om heen en weer springen tussen de twee modi te vermijden.

Naast de vaste spanningsniveaus zijn er al lang modi waarin de spanning in de loop van de tijd dyna­misch moet dalen. Dat laatste is bijvoorbeeld praktisch bij smartphones, omdat het opladen van een lithium-ionbatterij zeker vanaf 80 procent ­lading niet meer lineair verloopt.

Als de voedingseenheid zorgt voor een dynamische energietoevoer die in overeenstemming is met de laadcurve, kan de oplaadelektronica in de smartphone (die beperkt is qua ruimte en warmteafvoer) minder complex zijn.

In het bekende SPR-spanningsbereik heeft die modus de enigszins misleidende naam Program­mable Power Supply (PPS). Daarbij kan de bron op verzoek (programmering) van de verbruiker de spanning dynamisch verlagen van de respectieve­lijke nominale waarde naar 3,3 volt. In het EPR-spanningsbereik wordt de vergelijkbaar werkende modus nu Adjustable Voltage Supply (AVS) genoemd. Die moet in elk geval de spanning kunnen verlagen naar 15 volt.

De lijst van bedrijven die werken aan de USB-specificaties leest als een Who’s Who van de IT-industrie – het is dus duidelijk dat de 240-watt uitbreiding van USB-C op grote schaal zal worden ingezet.

Vooral voor laptops is het handig om eindelijk een ­gestandaardiseerde oplaadpoort te hebben voor alle soorten laptops, die bovendien ook geschikt is voor docking.

Dat laatste is meer dan een doel op zich, zodat fabrikanten niet langer voedingen met verschillende stekkers hoeven te ontwikkelen en op voorraad te houden. De Europese Commissie werkt al geruime tijd aan een wet die uniforme laadkabels voorschrijft.

Je moet de netadapter en de kabel onafhankelijk van het eigenlijke apparaat kunnen ­(blijven) gebruiken, om de hoeveelheid elektronisch afval te verminderen. En behalve USB-C is er voor zover we weten geen andere gevestigde aansluiting die voor dat doel in aanmerking komt.

In dat opzicht is het grootste vraagteken het tijdspad. Nu de nieuwe usb-specificaties afgerond zijn, kunnen de bijbehorende elektronische componenten worden ontwikkeld – en daarna kunnen voedingen en apparaten daar omheen ontwikkeld ­worden.

Onze ervaring met ontwikkelingscycli zegt dat USB-C met meer dan 100 watt laadvermogen waarschijnlijk pas in 2023 echt van de grond zal ­komen. Maar we laten ons graag verrassen: volgens de USB-IF zou het eind 2021 kunnen beginnen

(Deze informatie is afkomstig uit het artikel van Florian Müssig en Marco den Teuling uit c’t magazine 10/2021, p. 82. Online bewerking door Alieke van Sommeren)