USB Type-C™、USB PD 與 USB 3.1 Gen 2:速度與功率的新標準

作者:CUI Inc. 公司 Bruce Rose

「更快、更高、更強」是奧林匹克運動盛事的精神格言,如果現在將這句格言用到電子業,則是「更快、更小、更容易使用」:號召採用新式 USB 連接性標準的口號。

您很有可能已經看到,市面上新一代的運算產品採用了最新的 USB Type-C (USB-C™) 連接埠,這個趨勢可望在未來顯著增長,因為 USB-C 享有獨特能力,能透過單一有線連接來傳輸資料、電力甚至是音訊。市場分析機構 ABI Research 指出,USB Type-C 的出貨量已經達到引爆點,預估在 2021 年,裝有此 USB 連接器的智慧型手機,全球出貨量將達到 8.3 億隻。此 USB 連接器只有 9 mm 寬、3.5 mm 高,明顯比前幾代小,因此能讓設備製造商打造更小型的裝置。而且此連接器來得正是時候,能符合許多新興產品組合的需求,例如居家自動化以及 IoT 裝置,包括智慧型感測器等,都可順利搭配這個更小巧的最新連接器封裝。

容易使用

USB-C 應用纜線的兩端都可以插入,並且能滿足筆記型電腦等裝置的電力需求,因此無需攜帶好幾條不同用途的纜線。

功能性變多,是因為連接器內部的設計更加精密複雜 (圖 1)。首先,此連接器有更多的導線。USB Type-A 與 Type-B 連接器需要四或五個導線,USB-C 則不同,由 24 個觸點組成,因此能雙向插入,並且支援四個電源和接地對,以及兩個訊號對。另外,USB-C 的耐用性增加到 10,000 次插入,前幾個版本則只有 1,500 次。

USB-C 連接器規格圖

圖 1:USB-C 連接器規格比早期標準更為嚴格 (圖片來源:CUI Inc.)

USB-C 的電源和接地對額定電壓最高為 20 V,電流額定值亦提高讓整體額定電流達到 5 A,因此兩者組合下能在單一 USB-C 連線上傳輸高達 100 W 的功率。改進不僅於此,每個數據引腳對能處理的數據傳輸率高達 10 Gbps,因此此連接器擁有 20 Gbps 的總傳輸能力。

最新的 USB-IF 數據與功率規格

USB-IF 最新的數據與功率規格,要求 USB-C 的能力必須大幅提升,特別是針對 USB 電力傳輸 (USB PD)、USB 3.1 Gen 2 與最近定案的 USB 3.2 高速數據規格:

  • USB PD 利用全部四個電源和接地對的優勢,來發揮 USB-C 完整的 100 W 功率傳輸能力
  • USB 3.1 Gen 2 使用一組資料通道將傳輸率指定在 10 Gbps
  • 同樣地,USB 3.2 則控制兩組 10 Gbps 資料通道,維持高達 20 Gbps 的傳輸率

請務必在概念上區分只定義實體連接的 USB-C 標準,以及 USB PD 和高速數據規格 [包括 USB 3.1 Gen 1 (SuperSpeed) 和 USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed +) 與 USB 3.2]。

舉例來說,雖然 USB-C 連接器是為了支援 USB PD 標準而設計,但仍必須使用與 USB PD 相容的主機控制器,才能交涉並管理對連接裝置的電力傳輸。此外,纜線必須進行配置以支援標準。

USB PD 提升的不僅功率而已!此規格也有助於雙向電力傳輸,讓使用者更靈活地進行裝置的充電與供電。除此之外,因為 USB PD 能透過 VBUS 連線 (而非使用數據連線) 來進行功率交涉,因此現在可達到電力與數據的同步傳輸。表 1 顯示出 USB 傳輸能力逐代增強的情況。

規格 最高功率 最大電壓 最大電流
USB 2.0 2.5 W 5 V 500 mA
USB 3.0 與 3.1 4.5 W 5 V 900 mA
USB BC 1.2 7.5 W 5 V 1.5 A
USB Type C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 20 V 5 A

表 1:USB 電力傳輸規格

在高速數據規格方面,USB 3.1 Gen 2 在數據與功率訊號上有所規範,卻並未規範實體連接。有鑑於此,只要舊型 Type-A 或 Type-B 連接器與纜線在電流、電壓和訊號完整度的特性上足夠的話,就可用來連接 USB 3.1 Gen 2 設備,達到高達 10 Gbps 的傳輸率。同樣地,USB-C 連接器也可以經由簡單的硬體配接器,為 USB 2.0 等舊型的連接標準供電。

進行連接

很顯然,並非所有 USB-C 連接器或纜線組件都具有同等效能;品質優異的產品,效能更加出色,可在更長的纜線長度下達到更可靠的通訊。

在開發未來產品時,設計人員除了考慮材料與 USB-C 連接器的品質之外,還有兩種 Type-C 插座可供選擇 (請見圖 2)。以往標準的 SMT 安裝插座都位於 PCB 之上,但這會導致總組裝高度等於 PCB 厚度加上連接器高度的總和。另外還有中間安裝式連接器類型,可安裝在 PCB 中經機械加工的凹槽裡;雖然這能減低總組裝高度,但中間安裝式連接器無法在連接器底下佈設訊號走線。

SMT 和中間安裝式 USB-C 連接器圖片

圖 2:SMT 和中間安裝式 USB-C 連接器 (圖片來源:CUI Inc.)

結論

在消費性電子產品世界裡,USB Type-C 連接器已開始快速普及。為了滿足日益升高的需求,電子元件製造商 CUI 提供多種優質的 USB Type-C 插頭和插座,包括 SMT 和中間式安裝類型。這些連接器能支援 USB 3.1 Gen 2 規格所定義的通訊速率,並能滿足設計人員目前和未來的需要。

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關於作者

CUI Inc. 公司 Bruce Rose

文章作者:CUI Inc. 首席應用工程師 Bruce Rose