Was ist USB PD (Power Delivery - パワーデリバリー)?

Was ist USB PD (Power Delivery)? Hier finden Sie eine ausführliche Erklärung. Es werden die PD-Standards USB PD 3.0 sowie der neueste PD-Standard USB PD 3.1 behandelt. Zudem erhalten Sie funktionale Erläuterungen und grundlegende Informationen zu aktuellen Entwicklungen rund um USB.

Seit der Vorstellung unserer USB-PD-Produkte auf der Techno-Frontier 2018 haben wir zahlreiche Anfragen zur Frage „Was ist USB PD (Power Delivery)?“ erhalten. Daher möchten wir dies auf dieser Seite erklären. Dieses Gerät, das mehrere Geräte gleichzeitig laden kann, passt die Stromversorgung automatisch an das angeschlossene Gerät an – äußerst praktisch.

Auf der letzten Techno-Frontier präsentierten wir zwei neue USB-PD-Produkte. Wir haben von den Besuchern sehr positive Rückmeldungen erhalten und danken ihnen herzlich. Aufgrund aktueller Kundenwünsche hat Unifive 40W- und 60W-USB-PD-Produkte entwickelt und das Sortiment kontinuierlich erweitert, einschließlich einer 65W-Version.

Was ist USB PD (Power Delivery)?

USB PD: Die nächste Generation von USB für Datenübertragung und Hochleistungs-Stromversorgung

USB PD (USB Power Delivery) ist eine neue USB-Technologie, die Datenübertragung und eine Hochleistungs-Stromversorgung über ein einziges Kabel ermöglicht. Im Vergleich zu herkömmlichen USB-Ladearten bietet ein USB-PD-kompatibles Netzteil über ein USB-Type-C-Kabel gleichzeitig Strom- und Datenversorgung und nutzt damit das volle Potenzial von USB. Es ermöglicht eine deutlich höhere Stromübertragung und eignet sich daher nicht nur für Smartphones und Tablets, sondern auch für hochleistungsbedürftige Geräte wie Notebooks.

Die Merkmale von USB PD im Überblick:

• Im Vergleich zu USB 1.1 (2.5W), USB 3.0 (4.5W) und USB-BC1.2 (7.5W) ermöglicht USB PD eine Stromversorgung von bis zu 100W.

• Es ist kein fester Sender oder Empfänger mehr nötig – über Roll-Swap kann der Stromfluss gewechselt werden. Zum Beispiel kann ein externer Akku nicht nur vom PC geladen, sondern auch umgekehrt als Stromquelle für den PC genutzt werden (bei Type-C).
• Die Stromversorgung kann für mehrere externe Geräte optimiert werden.

• Automatische Leistungsanpassung entsprechend des angeschlossenen Geräts.

Aktueller Stand rund um USB

Heutzutage sieht man USB-Anschlüsse nicht nur im Auto, sondern auch in öffentlichen Bussen und Flugzeugen. Auch dass PCs über ihre USB-Ports Strom liefern ist alltäglich geworden. USB ist wahrlich eine allgegenwärtige Stromversorgung für kleine Geräte wie Smartphones.

Früher wurden USB-Anschlüsse in erster Linie für die Datenübertragung mithilfe von USB-Treibern verwendet, doch Nutzer begannen zunehmend, sie auch zur Stromversorgung zu nutzen.

Zuverlässiges USB PD mit USB PD 3.0

USB PD 3.0 ist der neueste Standard des USB-IF, dem Konsortium zur Standardisierung von USB. Ziel ist es, minderwertige Kabel und Produkte, die nicht den Standards entsprechen, vom Markt zu entfernen und eine sichere Nutzung von USB PD zu gewährleisten.

Im Vergleich zu Version 2.0 bietet USB PD 3.0 eine schnellere Roll-Swap-Funktion. Dadurch wird das Risiko von Datenverlust bei plötzlichem Stromausfall reduziert.

Zudem wurde die gegenseitige Authentifizierung, genannt C-AUTH (USB Type-C Authentication), eingeführt. Damit kann zwischen den Geräten überprüft werden, ob ein angeschlossenes Gerät oder Kabel vertrauenswürdig ist. Bei Problemen wird die Funktion blockiert.

* Hier finden Sie eine Erklärung zu USB Type-C

USB PD 3.1: Weiterentwicklung mit bis zu 240W

Obwohl USB PD 3.0 derzeit weit verbreitet ist, hat das USB-IF am 26. Mai 2021 die neue Spezifikation USB PD Revision 3.1 vorgestellt.

Diese große Aktualisierung ermöglicht eine Stromversorgung von bis zu 240W über USB-Type-C-Kabel und -Stecker. Bisher lag die Grenze bei 100W unter Verwendung eines 5A-USB-Type-C-Kabels bei 20V Spannung.

Mit der neuen Spezifikation USB Type-C 2.1, die auf USB PD 3.1 abgestimmt ist, wurden Kabelanforderungen für 240W definiert. Der USB-PD-Protokollstandard und die Stromversorgungsdefinitionen wurden ebenfalls überarbeitet, wodurch nun mehr Geräte mit höherem Strombedarf unterstützt werden.

Die neue USB-PD-Architektur definiert ein strengeres Power-Negotiation-Protokoll, um einen sicheren Zugriff und Gebrauch der höheren Leistungsstufen zu gewährleisten. Für Geräte im Bereich 100–240W gelten dabei strengere Sicherheitsanforderungen nach landesspezifischen Vorschriften als für Geräte mit geringem Energiebedarf.

Dank USB PD 3.1 können leistungsstarke Geräte wie große Laptops künftig auf die klassischen Stromanschlüsse verzichten und mit USB Type-C geladen werden.

Neue feste Spannungen und höhere Leistung durch EPR (Extended Power Range)

Eines der Hauptmerkmale von USB PD 3.1 ist die Einführung von drei neuen festen Spannungen: Zusätzlich zu den bekannten Werten 5V, 9V, 15V, 20V (SPR PDO/APDO) können jetzt auch 28V (ab 100W), 36V (ab 140W) und 48V (ab 240W) verwendet werden.

Dank EPR (Extended Power Range), einem Hauptmerkmal von USB PD 3.1, ist nun eine Spannungsversorgung über 20V hinaus möglich. Die zusätzlichen festen Spannungen (28V, 36V, 48V) ermöglichen Leistungen über 100W, 140W und 180W.

EPR-Modus: Sicheres Protokoll für Hochleistungs-Stromversorgung

Der EPR-Modus ist ein Kommunikationsprotokoll, das für eine sichere Stromversorgung mit hoher Leistung sorgt. Bevor sich Quelle (Stromversorger) und Senke (das Gerät) in den EPR-Modus begeben, tauschen sie Informationen über ihre Fähigkeiten aus und vereinbaren ein sicheres Stromversorgungsprofil.

Im Folgenden ist die Geschichte bis zur Einführung von USB 3.1 in Tabellenform dargestellt.

USB PD für blitzschnelles, optimales Laden

USB PD ermöglicht nicht nur die Versorgung mit hoher Leistung, sondern verfügt mit CC (Configuration Channel) über eine eigene Signalleitung, die beim Anschluss eines USB-PD-kompatiblen Geräts die optimale Leistung erkennt und automatisch ein schnelles Laden startet.

Die Entwicklung der Type-C-Kabel: EPR-kompatibel und sicherer

Mit der Erweiterung von USB PD 3.1 wurde die USB-Type-C-Kabelspezifikation auf Version 2.1 aktualisiert. EPR-kompatible Kabel enthalten einen Chip namens E-Marker, der anzeigt, dass sie bis zu 50V und 5A unterstützen – was die Sicherheit und Zuverlässigkeit bei hoher Leistung verbessert.

Hohe Effizienz und Kompaktheit dank GaN-Technologie

GaN (Galliumnitrid) ist ein hochmoderner Halbleiterwerkstoff mit geringen Leistungsverlusten und hoher Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichem Silizium. Durch den Einsatz von GaN in USB-PD-3.1-Netzteilen lassen sich hohe Effizienz und kompakte Bauformen gleichzeitig realisieren.

USB PD im Zeitverlauf

Bisher haben wir USB PD und den neuen Standard USB PD 3.1 behandelt – hier werfen wir einen Blick auf die Entwicklungsgeschichte von USB PD.

Vor der Einführung von USB PD: Geringe Ladeleistung und viele Standards (1996–2012)

• 1996: Einführung von USB 1.0. Der Fokus lag auf Datenübertragung, jedoch war auch Stromversorgung mit 5V/100mA möglich – für Ladezwecke aber ungeeignet.
• 2000: Einführung von USB 2.0. Neben schnelleren Datenraten konnte es nun 5V/500mA liefern – geeignet für Mobiltelefone.
• 2007: Einführung des Battery Charging Standards USB BC 1.1. Spannung blieb bei 5V, aber mit maximal 1.5A (7.5W).
• 2010: Einführung von USB BC 1.2. Die Spezifikationen für Ladeverhalten wurden weiter gefestigt.
• In dieser Zeit verbreitete sich USB-Laden zunehmend, aber Leistungsgrenzen und viele Standards führten zu Problemen. Geräte mit höherem Strombedarf, wie Notebooks, konnten damit nicht versorgt werden.

Die Geburt und Entwicklung von USB PD: Hochleistungs- und bidirektionales Laden (2012–2021)

• 2012: Einführung von USB PD 1.0. Bis zu 100W (20V/5A) ermöglichten auch das Laden großer Geräte wie Notebooks.
• USB PD 1.0 definierte 5 Standard-„Profile“ für die Stromversorgung. Durch Verhandlungen zwischen Host und Gerät konnten Spannung und Strom sicher angepasst werden. Eine echte bidirektionale Stromversorgung war jedoch nicht möglich, da bei klassischen Steckern stets 5V anlagen.
• 2014: Einführung von USB PD 2.0. Umstieg vom Profil- auf das PDO-Verfahren (Power Data Object) für flexiblere Stromversorgung. USB Type-C wurde eingeführt und beschleunigte die Evolution weiter. Type-C ist klein, symmetrisch und beidseitig einsteckbar.
• 2015: Einführung von USB PD 3.0. PPS (Programmable Power Supply) ergänzte präzise Spannungsanpassung in 20mV-Schritten für verbesserte Ladeeffizienz. Optimiert auch das Laden von Lithium-Ionen-Akkus. Sicherheitsstandards durch Gerätezertifizierung ergänzt.

USB PD 3.1 und GaN-Technologie: Höhere Leistung und Effizienz (ab 2021)

• 2021: Einführung von USB PD 3.1. Durch EPR (Extended Power Range) können bis zu 240W (48V/5A) übertragen werden. Fortschritte bei GaN-Technologie ermöglichen effizientere und kompaktere USB-PD-Stromversorgungen. Referenzdesigns wie EPC9195 nutzen GaN vollständig aus.

Die Zukunft von USB PD: Stromversorgung für alle Geräte

Der Einsatzbereich von USB PD reicht von Notebooks, Smartphones und Tablets bis hin zu Haushaltsgeräten und industriellen Anwendungen. Die Kombination von USB PD 3.1 und GaN-Technologie führt möglicherweise dazu, dass in Zukunft alle Geräte über USB Type-C geladen werden können.

Unifive bietet eine Vielzahl an kompakten USB-PD-Netzteilen der nächsten Generation mit GaN-Technologie.

Auch Sonderanfertigungen in Kleinserien sind möglich – gerne unterbreiten wir Ihnen ein flexibles Angebot. Mustergeräte und weitere Informationen erhalten Sie gerne von unserem Vertriebsteam.

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