Couche 2USB CONNECTORS~15 min de lecture

Connecteurs USB

Est-il un port plus universel que l'USB ? Souris, clés, téléphones, consoles, chargeurs : la même petite fiche relie l'électronique depuis vingt-cinq ans. Mais « USB » empile trois choses : des fiches mécaniques (Type-A, Type-B, mini, micro, Type-C), un contrat d'alimentation par le câble et un bus de données à plusieurs dialectes (2.0, 3.x, USB4). Cette page compte les broches, traque les câbles menteurs et calcule pourquoi un mauvais câble tue la charge rapide.

1. C'est quoi ?

L'USB (en anglais Universal Serial Bus, « bus série universel ») est le port le plus répandu de l'électronique, normalisé dès 1996 par l'USB-IF. Un port dialogue en série et alimente par le même câble. L'hôte (host) commande, le périphérique (device) répond ; le socle (receptacle) est l'embouchure femelle, la fiche (plug) le bout mâle.

Côté mécanique, l'USB a fondu un zoo en une seule norme. La fiche Type-A habite le côté hôte (ordinateurs, hubs, chargeurs) ; la Type-B, carrée, sert les périphériques imposants (imprimantes, scanners) ; mini-B puis micro-B équipèrent photos et téléphones quinze ans ; la Type-C, réversible et symétrique, s'installe des deux côtés du câble.

Le câble 2.0 n'est qu'un quadruplet de fils : +5 V (VBUS), paire de données tressée, masse — et l'hôte fixe les budgets : 100 mA puis 500 mA par port en 2.0, 900 mA en 3.x, 1,5 ou 3 A sur un socle Type-C, 5 A négociés en Power Delivery.

On les croise presque invisiblement :

le port Type-A de chaque ordinateur, hub, téléviseur ou console : clavier, manette, clé, disque externe ;
les chargeurs muraux Type-C (65, 240 W) et les téléphones qui les réclament — micro-B hier, Type-C aujourd'hui ;
les cartes de développement (Pi Pico, Arduino), qui se programment et s'alimentent par leur port USB.

2. Comment ça marche ?

Quatre broches sur la fiche A mâle :

Broche	Nom	Rôle
1	VBUS	alimentation : +5 V fournis par l'hôte
2	D−	donnée : fil A de la paire différentielle
3	D+	donnée : fil B de la paire différentielle
4	GND	masse : référence commune et retour du courant

SchémaBrochage USB 2.0 — fiche A mâle, vue des contacts

Le socle femelle inverse cet ordre en miroir. Sur les fiches mini-B et micro-B, une 5e broche ID rejoint la masse dans une fiche OTG : c'est elle qui déclare l'hôte. Sur les fiches 3.x (Type-A à neuf contacts, micro-B SuperSpeed), cinq broches ajoutent deux paires TX/RX et la masse signal GND_DRAIN, sans toucher aux quatre broches d'origine.

Pourquoi une paire plutôt qu'un fil ? Pour renoncer au bruit : l'USB transmet l'écart entre D+ et D−, une interférence se dépose pareil sur les deux fils tressés et se soustrait à la lecture. Paire calibrée autour de 90 Ω. En 2.0, bus half-duplex ; le 3.0 ajoute une paire par sens (TX, RX) en full-duplex — d'où les fiches A à neuf contacts, le micro-B SuperSpeed élargi.

Reste le courant : 500 mA par port en 2.0, 900 mA en 3.0, 1,5 A avec Battery Charging (2010), puis 1,5 à 3 A négociés par les CC du Type-C. Avec Power Delivery, le levier devient la tension :

P = U × I

La loi de la puissance : Power Delivery monte la tension plutôt que les ampères, car on exige alors moins de courant au câble pour la même énergie. Plafond actuel de la PD 3.1 : 48 V à 5 A, soit 240 W.

Enfin, le câble a une résistance : chaque mètre de fil perd une petite tension, et la boucle de charge traverse deux fils (VBUS à l'aller, la masse au retour). La couche 1 posait la formule ; l'exercice de la section 4 chiffre ce qu'il reste au bout de deux mètres de câble médiocre.

3. Dans le vrai monde

Rangée de connecteurs USB : plugs micro-B, mini-B, socle A retourné montrant ses broches, plugs A et B — La gamme des fiches historiques le long d'une règle. Photo : Viljo Viitanen, domaine public, via Wikimedia Commons.

Les générations en une table :

Génération	Année	Débit	Courant garanti	Fiche vedette
USB 1.1	1998	12 Mbit/s	0,5 A	Type-A, Type-B
USB 2.0	2000	480 Mbit/s	0,5 A	mini-B puis micro-B
USB 3.0 (Gen 1)	2008	5 Gbit/s	0,9 A	Type-A à neuf contacts, micro-B SuperSpeed
USB 3.1 (Gen 2)	2013	10 Gbit/s	0,9 A	Type-C
USB4	2019	40 Gbit/s	jusqu'à 5 A via Power Delivery (240 W)	Type-C

USB 3.2 empile deux lignes pour 20 Gbit/s, USB4 emprunte Thunderbolt 3 — mais depuis 2013, la coquille ne bouge plus : câble et protocole s'améliorent seuls. L'ancienne broche ID servait l'OTG (On-The-Go) : massée, elle passait le téléphone maître, commandant clé ou manette ; le Type-C échange ce rôle par les CC. Prix : 3 à 8 € un câble « charge only », 5 à 15 € avec données, 15 à 30 € un chargeur PD 65 W — du cuivre, parfois un e-marker.

4. Exemple pratique

Apprendre à tester un câble

Au multimètre : continuité entre D+ des deux fiches puis D− (bip = données) ; résistance du fil VBUS (honnête : environ 0,2 Ω par mètre, médiocre : bien plus) ; lecture du marquage (« 5 A/240 W », e-marker).

Comparateur de générations

SchémaComparateur de générations USB

InteractifDe l'USB 1.1 à l'USB4

USB 3.1 (Gen 2) (2013) — 24 broches symétriques (paires CC au centre)

Débit de données

10 Gbit/s

Barre à l'échelle logarithmique — 833 fois le débit de l'USB 1.1.

Courant maximal du port

3 A

fiche Type-C sans Power Delivery : 1,5 A ou 3 A selon le câble

Type-C

Valeurs caractéristiques de chaque époque : le débit et le courant réellement disponibles dépendent du port, du câble et du protocole négocié.

Choisissez une génération : débit de l'époque, courant disponible sur un port standard, fiche vedette. La barre est à échelle logarithmique : le débit s'est multiplié par 3 333 en vingt ans.

Exercice résolu — un téléphone de 4 000 mAh : 5 V/1 A contre 20 V/3 A

Deux chargeurs face à une batterie de 4 000 mAh : l'ancien 5 V/1 A et le Power Delivery 20 V/3 A.

Une batterie, une énergie : une cellule de 4 000 mAh travaille vers 3,7 V, donc stocke 3,7 × 4 ≈ 15 Wh.
Ancien : P = 5 × 1 = 5 W, donc 15/5 = 3 h ; 3 h 20 avec le rendement du convertisseur (environ 90 %).
Power Delivery : P = 20 × 3 = 60 W, donc 15/60 = 15 min ; en pratique une demi-heure, le téléphone plafonnant sa puissance (échauffement, fin de charge).
La clé : 60 W sous 5 V exigeraient 12 A, et la boucle VBUS + masse chuterait plus que les 5 V disponibles. Power Delivery monte la tension (5, 9, 20, 36, 48 V) plutôt que les ampères : même puissance, moins de courant, moins de pertes.

Exercice résolu — pourquoi un mauvais câble tue la charge rapide

Un câble de 2 m en 28 AWG (S ≈ 0,08 mm²) : que reste-t-il des 5 V quand l'appareil appelle 3 A ?

ΔU = 2 × ρ × L × I / S

La formule de chute de la couche 1 (cables-alimentation) : le courant part dans VBUS et revient par la masse, donc le cuivre traversé compte deux fois. ρ (cuivre) = 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m.

Résistance d'un sens (VBUS seul) : R = ρ × L / S = 1,68 × 10⁻⁸ × 2 / (0,08 × 10⁻⁶) ≈ 0,42 Ω — soit environ 0,2 Ω par mètre en 28 AWG.
Boucle complète (VBUS aller + masse retour) : 0,42 × 2 ≈ 0,83 Ω.
Chute sous 3 A : ΔU = R × I ≈ 0,83 × 3 ≈ 2,5 V. Le téléphone demandait 5 V, il n'en voit que 2,5 : la charge plafonne.
Les pertes : P = R × I² ≈ 0,83 × 9 ≈ 7,5 W en chaleur — la moitié des 15 W demandés sous 5 V.
Sous Power Delivery (20 V, 3 A) : toujours 2,5 V de chute, mais 12 % de la tension et 7,5 W perdus sur 60 W — la charge rapide survit ; du fil plus gros (20 à 23 AWG) réduit encore la chute.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

Citer les quatre broches d'un port 2.0 et la fonction de chacune.
Un câble « charge only » recharge mais refuse tout transfert : quelles broches manquent, et comment le vérifier ?
La fiche Type-C se branche dans les deux sens : quelles broches repèrent l'orientation, le rôle (source ou appareil) et le courant disponible ?
À quoi servait la 5e broche ID des fiches mini-B et micro-B, du temps de l'OTG ?
3 A tirés sur un câble de 2 m en 28 AWG : quelle chute dans la boucle, et pourquoi Power Delivery monte la tension plutôt que les ampères ?

Réponses

Broche 1 : VBUS (+5 V de l'hôte) ; broches 2 et 3 : la paire D−/D+ (données, le bruit s'y soustrait) ; broche 4 : GND (masse, retour du courant).
D+ et D− manquent : remplacés par du plastique ou coupés, seuls VBUS et GND restent. Continuité entre les D+ des deux fiches puis les D− : le silence trahit le câble.
La paire CC (C1, C2), au centre des rangées : à l'insertion, le contrôleur voit quelle CC rejoint le Rd de 5,1 kΩ de l'appareil — d'où orientation, rôle (déclaré par le Rp de la source) et courant (1,5 ou 3 A).
L'ID massée déclarait l'hôte : le téléphone passait maître et commandait clé ou manette ; le Type-C recrée cet échange par les CC.
Le fil 28 AWG fait environ 0,2 Ω par mètre : la boucle de 2 m vaut 0,83 Ω et ΔU ≈ 0,83 × 3 ≈ 2,5 V — la moitié des 5 V avalés, 7,5 W perdus sur 15 W. À 20 V (PD), la chute ne pèse que 12 % ; 60 W sous 5 V exigeraient 12 A, soit environ 120 W d'échauffement, plus que l'énergie livrée.

6. Pour aller plus loin

USB-IF — spécification USB 2.0 (brochage des fiches A et B, 480 Mbit/s, budgets de courant) : usb.org/document-library/usb-20-specification.
USB-IF — spécification USB Type-C (les 24 broches, Rp/Rd, l'e-marker), index des documents : usb.org/specifications.
USB-IF — spécification USB Power Delivery v3.1 (profils jusqu'à 48 V pour 240 W) : usb.org/specifications.
USB-IF — spécification Battery Charging 1.2 (ports de charge CDP et DCP à 1,5 A) : usb.org/specifications.
USB-IF — programme de conformité (tests prescrits, produits certifiés) : usb.org/compliance.

Prochaine leçon dans la descente : Résistances (couche 2)