USB muss sich den Energieeffizienz-Anforderungen stellen

| Autor / Redakteur: Alf Petter Syvertsen * / Sebastian Gerstl

Happy Gecko Low Energy USB: USB hat sich in zahlreichen Anwendungen dank seiner Anpassungsfähigkeit und der Unterstützung hoher Datenraten wie kleiner Formfaktoren als Schnittstelle erster Wahl etabliert.
Happy Gecko Low Energy USB: USB hat sich in zahlreichen Anwendungen dank seiner Anpassungsfähigkeit und der Unterstützung hoher Datenraten wie kleiner Formfaktoren als Schnittstelle erster Wahl etabliert. (Bild: Silicon Labs)

Verbraucher werden mobiler und das Internet der Dinge (IoT) braucht kleine, überall einsatzfähige Geräte, die äußerst stromsparend sein müssen. Neue, energieeffiziente Lösungen fordern also USB heraus.

Der Universal Serial Bus, besser bekannt in der Kurzform USB, hat sich in zahlreichen Consumer- und Industrie-Anwendungen als Schnittstelle erster Wahl etabliert. Der Erfolg basiert vor allem auf der Anpassungsfähigkeit des Standards, im Laufe der Zeit höhere Datenraten und kleinere Formfaktoren zu unterstützen – und das bei sich ständig ändernden Anwendergewohnheiten.

In der Vergangenheit war der Stromverbrauch generell noch kein Thema bei der Verbesserung von USB-Anwendungen. Dies ändert sich nun: Verbraucher werden immer mobiler und suchen nach neuen Geräten, die diesen Lebensstil unterstützen. Ebenso versprechen die Möglichkeiten des Internet der Dinge bzw. Internet of Things (IoT) kleine, überall einsatzfähige Geräte, die allerdings performant und gleichzeitig äußerst stromsparend sein müssen. Entwickler müssen also für ihre Anwendungen eine USB-Lösung finden, die diese neuen Herausforderungen erfüllt, ohne die bisherige Flexibilität des Standards zu opfern.

Anpassung an die mobile und vernetzte Welt

USB hat sich seit seiner Einführung erheblich weiter verbessert, um die früher unterschiedlichen Schnittstellen zur Anbindung von Peripherie (Tastatur, Maus, Drucker, externe Laufwerke) an den PC in einem Standard zu vereinen.

Nach der 1996 erstmals auf dem Markt erschienenen ersten Generation von Full-Speed-USB (USB 1.0 und 1.1) mit einer maximalen Datenrate von 12 MBit/s erzieltedas im Jahr 2000 spezifizierte USB 2.0 bereits 480 MBit/s im High-Speed-Modus, was sich bereits für den Anschluss etwa von Videogeräten oder externen Festplatten eignete. Verbraucher verlangten inzwischen aber noch schnellere Verbindungen, beispielsweise um ultrahochauflösende Videos und Bilder schneller übertragen zu können. Der 2014 verabschiedete Standard USB 3.1 bringt es daher bereits auf eine Datentransferrate von knapp 10 BGit/s.

USB hat sich auch im Bereich der Mobilgeräte schnell etabliert. Neue kleine Mini-B- und Micro-B-Stecker wurden standardisiert und finden sich in zahlreichen tragbaren Geräten wie Smartphones, Tablets, MP3-Playern und der neuen Generation von Wearables (z.B. Smartwatches). Mit einer Bauhöhe von nur 1,8 mm eignet sich etwa der Micro-B-Stecker speziell für Geräte mit sehr flachen Gehäusen.

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Die Leiterplattenfläche, die von Bauteilen für die USB-Steuerung/Schaltkreise eingenommen wird, hat sich ebenfalls verringert. Hier wirken sich Design-Neuerungen wie ein quarzloser Betrieb aus. Mikrocontroller (MCUs) wie Silicon Labs' 32-Bit-EFM32- und 8-Bit-EFM8-Serien vereinfachen die USB-Implementierung in Embedded-Systeme und enthalten bereits einen HF-Oszillator (bis 48 MHz), der einen externen Quarz und dessen zugehörige Bauelemente erübrigt.

Da die Genauigkeit des internen Oszillators geringer ist als die eines Quarzes und meist außerhalb der USB-Spezifikation liegt, ist ein Taktrückgewinnungsschaltkreis erforderlich. Da der Host circa jede Millisekunde Start-of-Frame-Pakete aussendet, vergleicht die Taktrückgewinnung die aktuelle Ankunftszeit mit dem erwarteten Start-of-Frame-Timing auf Basis des internen Takts. Mit der gemessenen Differenz lässt sich der interne Takt anpassen, um so dem Host-Takt zu entsprechen. Dies ist für einen korrekten Full-Speed-USB-Betrieb ohne Quarz unerlässlich.

Der quarzlose Betrieb spart nicht nur Platz auf der Leiterplatte, sondern verringert zusätzlich die Bauteilkosten und beseitigt einen erheblichen Anteil taktbezogener Störungen (Rauschen). Darüber hinaus sind Quarz-Bausteine äußerst empfindlich und bekannt dafür, dass ihre Anschlüsse bei Falltests häufig brechen.

Dies sind bedeutende Fortschritte, die es USB ermöglicht haben, zur am weitesten verbreiteten M2M-Schnittstelle zu werden. USB ist nicht nur in Consumer-Anwendungen äußerst erfolgreich, sondern auch im Industriebereich.

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