Hubs e Docks USB: com e sem fonte

Um hub divide uma porta USB em várias; um dock faz isso e adiciona saídas de vídeo, Ethernet e carregamento através de um único cabo. A diferença que decide se seus dispositivos funcionam é a energia: um hub sem fonte (alimentado pelo barramento) tira tudo o que precisa da porta host, enquanto um hub com fonte tem seu próprio adaptador e pode alimentar cada dispositivo adequadamente. Um dock é normalmente um hub com fonte e funções extras embutidas, geralmente sobre USB-C ou Thunderbolt.

Hubs sem fonte e com fonte

Um hub sem fonte (bus-powered) consome corrente da porta host. Essa porta fornece 500 mA a 5 V (2,5 W) em USB 2.0, ou 900 mA (4,5 W) em USB 3.x. Todo dispositivo no hub compartilha esse orçamento, então um teclado e um mouse vão bem, mas um drive portátil mais um celular carregando não. Quando o total excede o que a porta pode fornecer, o hub ou recusa o dispositivo ou o dispositivo cai no meio da transferência.

Um hub com fonte tem seu próprio adaptador e não consome a corrente de operação da porta host. Cada porta downstream pode então fornecer sua corrente nominal, e o hub continua funcionando quando a porta host está perto do limite. Essa é a única mudança que resolve a maioria dos casos de “hub USB não funciona”: o hub estava sendo solicitado a operar dispositivos para os quais não tinha energia.

O que um dock adiciona em relação a um hub

Um dock adiciona saídas de vídeo, Ethernet e carregamento através de um cabo, geralmente sobre USB-C ou Thunderbolt. O lado do vídeo não é uma função de dados USB no sentido comum: é DisplayPort Alt Mode transportado pelo conector USB-C, ou um link Thunderbolt carregando DisplayPort junto com PCIe e USB. Um hub USB comum não pode criar uma saída de vídeo que o host já não forneça.

Thunderbolt 4 oferece 40 Gbps, PCIe a 32 Gbps, dois monitores 4K ou um 8K, e carregamento de laptop até 100 W em pelo menos uma porta. Thunderbolt 5 oferece 80 Gbps nos dois sentidos, até 120 Gbps em um sentido para monitores, PCIe a 64 Gbps e carregamento até 240 W. USB4 opera a 20 Gbps ou 40 Gbps, e USB4 Versão 2.0 a 80 Gbps, ou 120 Gbps em um sentido. USB4 é construído sobre o protocolo Thunderbolt 3, que a Intel contribuiu para a USB-IF em 2019, e cabos Thunderbolt 4 e 5 também funcionam como cabos USB-C para dados e carregamento. As diferenças entre as duas famílias estão em Thunderbolt 3, 4 e 5 vs USB4.

O carregamento é onde docks e hubs são mais frequentemente mal interpretados. Todo cabo USB-C para USB-C deve suportar 3 A, portanto 60 W a 20 V. Correntes acima de 3 A exigem um cabo de 5 A com chip e-marker: cabos de 100 W e cabos de 240 W com Extended Power Range. O USB Power Delivery Standard Power Range vai até 100 W (20 V a 5 A) com tensões fixas de 5 V, 9 V, 15 V e 20 V; o PD 3.1 (2021) Extended Power Range vai até 240 W (48 V a 5 A), adicionando 28 V, 36 V e 48 V. Um dock que anuncia carregamento de laptop precisa de um cabo e uma porta host que suportem a potência, não apenas de um dock que a liste.

Banda compartilhada em um link host

Um hub compartilha um link upstream entre todos os seus dispositivos. A velocidade do link é definida pela porta host e pelo hub, não pelo número de portas no hub. USB 2.0 é 480 Mbps; USB 3.0, também chamado USB 3.1 Gen 1, USB 3.2 Gen 1 ou USB 5Gbps, é 5 Gbps; USB 3.1 Gen 2, também chamado USB 3.2 Gen 2 ou USB 10Gbps, é 10 Gbps; USB 3.2 Gen 2x2 é 20 Gbps e é somente USB-C.

Na prática, isso significa que um SSD rápido e um adaptador Gigabit Ethernet no mesmo hub competem pela mesma banda upstream. Um único link de 5 Gbps está bem acima do que um adaptador Gigabit precisa, mas dois drives copiando ao mesmo tempo terão cada um menos que a taxa total do link. Um dock com seu próprio link Thunderbolt ou USB4 tem muito mais folga, e é por isso que docks, e não hubs, são usados para vídeo e armazenamento juntos.

Limites de comprimento de cabo que se aplicam a hubs e docks

A especificação define comprimentos de cabo USB Type-C por velocidade: USB 2.0 até 4 m (13 ft); USB 5Gbps até 2 m (6.6 ft); USB 10Gbps até 1 m (3.3 ft); USB4 40Gbps passivo até 0,8 m (2.6 ft). Cabos USB 2.0 vão até 5 m (16 ft) por segmento, e com até 5 hubs em cadeia, até 30 m (98 ft) no total. Cabos USB 3.x passivos com conectores Type-A ou Type-B são comumente vendidos até 3 m (10 ft); cabos de extensão ativos e ópticos vão mais longe. O conjunto completo de limites está em comprimento máximo de cabo USB.

Um hub adiciona um segmento, não uma extensão gratuita. Encadear hubs para alcançar mais longe funciona dentro dos limites de segmento e contagem de hubs, mas cada salto adiciona um ponto onde energia e sinal podem falhar. Para uma longa distância até um único dispositivo, um cabo de extensão ativo ou óptico é a resposta mais limpa do que uma cadeia de hubs.

Por que um dispositivo cai em um hub

As causas usuais, na ordem em que vale a pena verificar:

• Energia. O dispositivo precisa de mais corrente do que a porta ou o hub sem fonte pode fornecer. Um hub com fonte ou uma porta no host resolve.
• O cabo errado. Um cabo USB-C pode ser um cabo USB 2.0 (480 Mbps) ou transportar 10, 20, 40 ou 80 Gbps. Um cabo só de carga não tem pares de dados. Trocar para um cabo classificado para a velocidade e potência em uso costuma ser a solução completa.
• Um hub sem fonte quando o dispositivo espera energia. Hubs sem fonte não conseguem carregar um celular na taxa máxima ou girar um drive de forma confiável.
• Expectativas de vídeo. A saída de vídeo de um dock depende de a porta host suportar DisplayPort Alt Mode ou Thunderbolt. Uma porta sem isso precisa de um adaptador ativo, e um hub não pode adicionar isso.
• Comportamento de driver e firmware. Adaptadores USB para serial contêm um chip conversor que precisa do driver correto, e chips falsificados podem ser bloqueados pelos drivers do fabricante original. O mesmo se aplica a alguns chips Ethernet de dock.

Hubs, docks e switches KVM juntos

Um switch KVM compartilha um teclado, monitor e mouse entre computadores, e a emulação EDID mantém cada computador vendo um monitor enquanto está comutado para outro, para que as janelas não se reorganizem. Muitos switches KVM agora carregam USB-C ou Thunderbolt, o que significa que o dock pode ficar no lado do dispositivo do KVM em vez de diretamente no computador. A cablagem e o comportamento EDID desse arranjo estão em Switches KVM: cabos, EDID e USB.

Escolhendo entre um hub e um dock

Escolha um hub sem fonte quando os dispositivos forem de baixo consumo: teclado, mouse, pendrive, uma impressora que tem sua própria fonte. É pequeno, não precisa de adaptador e serve para uma bolsa de laptop.

Escolha um hub com fonte quando vários dispositivos funcionam ao mesmo tempo, quando algum deles é um drive ou um celular carregando, ou quando a porta host já está perto do limite. O adaptador é o ponto do produto.

Escolha um dock quando um cabo precisa transportar vídeo, Ethernet, dispositivos USB e carregamento de laptop. Verifique três coisas antes de comprar: as capacidades da porta host (USB-C com DisplayPort Alt Mode, Thunderbolt 4, Thunderbolt 5 ou USB4), a potência de carregamento que o dock e o cabo podem passar, e a resolução e taxa de atualização do monitor que o host suporta. Um dock não pode exceder o que a porta host fornece.

O que não vai funcionar

• Um hub sem fonte operando um drive portátil e um celular carregando ao mesmo tempo. O orçamento de corrente da porta é compartilhado e o total o excede.
• Um cabo USB-C só de carga transportando dados, ou um cabo USB 2.0 transportando um dispositivo de 10 Gbps em velocidade máxima.
• Um adaptador USB-C passivo acionando HDMI a partir de uma porta sem DP++ ou DisplayPort Alt Mode. Isso precisa de um adaptador ativo.
• Um carregamento de 100 W ou 240 W por um cabo sem chip e-marker. Acima de 3 A o cabo deve ser classificado e marcado para isso.
• Um cabo USB4 40Gbps passivo com mais de 0,8 m (2.6 ft) em velocidade máxima.
• A Ethernet ou vídeo de um dock funcionando quando a porta host é uma porta USB comum de dados sem modo alternativo.
• Um adaptador USB para paralela acionando um programador ou dongle. Esses adaptadores funcionam com impressoras, onde aparecem como uma impressora USB, mas não com outros dispositivos de porta paralela.
• Um adaptador USB para TTL tratado como RS-232. Serial TTL/CMOS a 3,3 V ou 5 V não é RS-232, e unir os dois diretamente pode danificar o lado de baixa tensão.