USB-C künftig mit bis zu 240 Watt

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Bei Smartphones und kompakten Notebooks ist die Stromversorgung über USB-C mittlerweile Standard: Der verdrehsichere Stecker kann bis zu 100 Watt liefern – ein entsprechend dickes Netzteil vorausgesetzt. Für leistungsstarke Notebooks mit rasanten 3D-Grafikchips reichte dieses in der Norm festgelegte Maximum nicht aus, was zu Wildwuchs führte: Bei Gaming-Notebooks und mobilen Workstations sind deshalb weiterhin Netzteile mit klassischen Rundsteckern üblich, die sich nicht zwischen Notebooks verschiedener Hersteller austauschen lassen. Dell hat wiederum den USB-C-Standard proprietär auf 130 Watt erweitert, was dann aber auch wieder nur für die Kombination gewisser hauseigener Notebooks und Netzteile klappt.

Das Standardisierungsgremium Universal Serial Bus Implementers Forum (USB-IF) hat sich der Sache angenommen: Künftig sind bis zu 240 Watt Ladeleistung möglich. Das reicht abgesehen von wenigen besonders klobigen Mobilrechnern mit Desktop-CPUs für die Masse an leistungsstarken Notebooks und eröffnet neue Möglichkeiten zur Stromversorgung anderer Geräteklassen.

Doppel-Anpassung

Die Erweiterung von 100 auf 240 Watt machte neue Revisionen von zwei Spezifikationen nötig: Die "USB Type-C Cable and Connector Specification", die die elektrischen Parameter von Steckern, Buchsen und Kabel definiert, wurde auf Revision 2.1 angehoben und die "USB Power Delivery Specification" mit den Protokollfeinheiten liegt in Revision 3.1 vor. Das Doppel war nötig, um neue Spannungsstufen für einen Extended Power Range (EPR) zu definieren, was breitere Auswirkungen hat.

Bislang war bei USB-C bei 20 Volt Schluss. Mit der EPR-Erweiterung sind jetzt auch 28, 36 und 48 Volt möglich. In allen Stufen dürfen weiterhin bis zu 5 Ampere fließen – ein wichtiger Unterschied zu Dells oben genannter proprietärer 130-Watt-Erweiterung, die 6,5 Ampere bei 20 Volt vorsieht. Durch die stärkeren EPR-Stufen werden USB-C-Kabel also nicht dicker (und damit steifer), als sie es jetzt schon sind.

USB PD Revision 3.1

Modus	Spannung	max. Stromstärke	max. Leistung
SPR	5 V	3 A	15 W
SPR	9 V	3 A	27 W
SPR	15 V	3 A	45 W
SPR	20 V	3 A	60 W
SPR	20 V	5 A¹	100 W
EPR	28 V	5 A²	140 W
EPR	36 V	5 A²	180 W
EPR	48 V	5 A²	240 W
¹ erfordert 5-A-Kabel ² erfordert EPR-Kabel

Dennoch sind Anpassungen notwendig: Es sind andere Kondensatoren in den Steckern nötig, damit beim Abziehen unter Spannung weiterhin keine Lichtbögen entstehen, die die Kontakte beschädigen würden. Analog zu USB-C-Kabeln, die für 5 Ampere zugelassen sind, tragen EPR-Kabel eine elektronische Markierung, die sie ausweist, bis zu 50 Volt zu vertragen. Ohne eine solche Markierung fließen maximal 3 Ampere im bisherigen Modus, der jetzt Standard Power Range (SPR) heißt. Da das menschliche Auge elektronische Markierungen nur schlecht auslesen kann, sollen EPR-Kabel auch eine sichtbare Markierung bekommen.

Auf Protokollebene wurden neue Abläufe festgelegt. Schon im bekannten SPR-Modus gab es eine Kommunikation zwischen den Partnern: Eine Quelle musste einer Senke mitteilen, welche Modi es bietet, und die Senke musste mitteilen, welchen Modus sie gerne hätte. Erst nach einer solchen Einigung wurden mehr als die USB-typischen 5 Volt aufgeschaltet (sofern ausgehandelt).

EPR setzt aus Sicherheitsgründen in mehrerlei Hinsicht einen drauf: Mit der Aushandlung eines EPR-Modus wird erst begonnen, wenn sich beide Partner schon vorher auf eine SPR-Verbindung geeinigt haben. Anders als dort müssen beide Partner auch nach der Aushandlung kontinuierlich miteinander reden: Wird die Senke stumm, schaltet die Quelle sofort die hohen Spannungen ab und beginnt mit einer neuen SPR-Aushandlung bei 5 Volt. Umgekehrt kann eine Senke jederzeit darum bitten, den EPR-Modus zu verlassen, indem wieder eine SPR-Spannung von 20 Volt oder niedriger angefordert wird. Eine Quelle muss danach ihre EPR-Fähigkeiten nicht mehr bewerben, um ein Hüpfen zwischen den beiden Modi zu vermeiden.

Variable Spannungen

Zusätzlich zu den fixen Spannungsstufen gibt es schon länger Modi, bei denen die Spannung im Laufe der Zeit dynamisch absinken soll. Letzteres ist etwa für Smartphones praktisch, denn das Laden eines Lithium-Ionen-Akkus läuft spätestens ab 80 Prozent Füllstand nicht mehr linear ab. Kümmert sich passend zur Ladekurve das Netzteil um eine dynamische Zulieferung, kann die Ladeelektronik im (hinsichtlich Platz und Abwärme beschränkten) Smartphone weniger komplex ausfallen.

Im altbekannten SPR-Spannungsbereich trägt dieser Modus den etwas irreführenden Namen Programmable Power Supply (PPS). Die Quelle kann dort auf Anfrage (Programmierung) der Senke die Spannung vom jeweiligen Stufennennwert dynamisch auf bis zu 3,3 Volt runterfahren. Im EPR-Spannungsbereich heißt der konzeptionell identische Modus nun Adjustable Voltage Supply (AVS); das Absenken ist jeweils bis hinunter zu 15 Volt vorgesehen.

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Ausblick

Die Liste der Unternehmen, die Mitarbeiter für die Ausarbeitung der USB-Spezifikationen abgestellt haben, liest sich wie das Who’s who der IT-Branche – damit ist klar, dass die 240-Watt-Erweiterung von USB-C eine breite Verwendung finden wird. Gerade bei Notebooks kommt sie sehr gelegen, um endlich eine einheitliche Ladebuchse für alle Notebookklassen zu bekommen, die zudem auch fürs Docking taugt.

Letzteres ist mehr als Selbstzweck, damit die Hersteller nicht mehr Netzteile mit unterschiedlichen Steckern entwickeln und vorhalten müssen. Die EU-Kommission arbeitet schon länger an einem Gesetz, das einheitliche Ladekabel vorschreibt: Man soll Netzteil und Kabel unabhängig vom eigentlichen Gerät (weiter)nutzen können, was Elektroschrott verringert. Und abseits von USB-C wüssten wir nicht, welche etablierte Buchse denn sonst überhaupt für dieses Ansinnen infrage käme.

Insofern ist das größte Fragezeichen das Wann: Mit der Fertigstellung der neuen USB-Spezifikationen können jetzt Ladeelektronikbausteine entwickelt werden – und um diese herum dann die Netzteile und Geräte. Unser Bauchgefühl bezüglich Entwicklungszyklen sagt, dass USB-C mit mehr als 100 Watt Ladeleistung wohl erst ab 2023 richtig abheben wird. Wir lassen uns aber gerne auch schon früher überraschen; laut USB-IF könnte es jedenfalls bereits Ende 2021 losgehen.

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(mue)