USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)最全面的解讀

　　USB Type-C(USB-C)是最新的USB接口標(biāo)準(zhǔn)，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用正在迅速普及。本文介紹了USB-C連接器的性能特點(diǎn)，以及與USB-C相關(guān)的USB PD和USB 3.1第2代等相關(guān)功率和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范的概念和特性，同時以CUI公司的USB-C接口產(chǎn)品為例，介紹了USB接口產(chǎn)品的選型，有助于開發(fā)者深入了解USB-C的標(biāo)準(zhǔn)，正確選擇高質(zhì)量的USB-C接口或線纜組件。

　　“更快，更高，更強(qiáng)”是我們耳熟能詳?shù)膴W林匹克格言，如果現(xiàn)在將這句格言用到電子行業(yè)，那就應(yīng)該是“更快，更小，更易用”——這就是USB連接新標(biāo)準(zhǔn)的吶喊。

　　您可能已經(jīng)看到，目前在售的新一代計(jì)算產(chǎn)品中廣泛采用了最新的USB Type-C (USB-C?)端口，這種趨勢有望在未來進(jìn)一步強(qiáng)化，因?yàn)閁SB-C具備通過單一的有線連接來傳輸數(shù)據(jù)、電力甚至音頻的獨(dú)特能力。

　　市場分析公司ABIResearch認(rèn)為，我們已經(jīng)到達(dá)了USB Type-C商用的臨界點(diǎn);到2021年，配備這種USB連接器的智能手機(jī)全球出貨量估計(jì)將達(dá)到8.3億部。

　　這種連接器的寬度僅為9mm，高度僅為3.5mm，比前幾代連接器要小巧得多，它讓設(shè)備制造商能夠開發(fā)出體積更小的設(shè)備。它的問世可謂恰逢其時，完美地迎合了新興產(chǎn)品的需求，例如家庭自動化以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括能夠與這種更小、更簡潔的最新連接器封裝完美搭配的智能傳感器。

　　無法拒絕的易用性

　　針對USB-C應(yīng)用的電纜能夠從任何一端插入，滿足筆記本電腦等設(shè)備的電源需求，使得用戶無需攜帶多根不同用途的線纜。

　　這種通用性源自于連接器內(nèi)部更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(圖1)。首先，它有更多的導(dǎo)線。USB Type-A和Type-B連接器需要四根或五根導(dǎo)線——與它們不同，USB-C包括24個觸頭，允許雙向插入，并支持四個電源和接地對，以及兩個信號對。此外，它的額定耐用性增加至10,000次插拔，相比以往版本的1,500次插拔有了大幅增加。

　　圖1：USB-C連接器規(guī)格比早期的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格(圖片來源：CUI Inc.)

　　USB-C的電源和接地對的額定電壓高達(dá)20V，電流額定值也有所增加，總額定值達(dá)到5A，通過單個USB-C連接可提供高達(dá)100W的功率傳輸。此外，每個數(shù)據(jù)引腳對可以管理最高10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，這意味著該連接器的總傳輸能力達(dá)到20Gbps。

　　更快的數(shù)據(jù)和更高的功率傳輸

　　USB-IF的最新數(shù)據(jù)和功率規(guī)格迫使我們必須大幅提升USB-C的傳輸能力，特別是在USB 功率輸送(USB PD)、USB 3.1第2代和近期敲定的USB 3.2高速數(shù)據(jù)規(guī)格中：

　　USB PD利用所有四個電源和接地對，充分發(fā)揮了USB-C的100W功率傳輸能力

　　USB 3.1第2代利用一組數(shù)據(jù)通道，定義了10Gbps的傳輸速率

　　類似地，USB3.2控制兩組10 Gbps數(shù)據(jù)通道，維持高達(dá)20Gbps的傳輸速率

　　從概念上說，將USB-C標(biāo)準(zhǔn)(僅定義物理連接)與USB PD和高速數(shù)據(jù)規(guī)格(包括USB 3.1 第1代 (SuperSpeed) 和USB3.1第2代 (SuperSpeed +)，以及USB 3.2)區(qū)分開非常重要。

　　例如，雖然USB-C連接器的設(shè)計(jì)支持USB PD標(biāo)準(zhǔn)，但要協(xié)商和管理對互連設(shè)備的功率輸送，仍必須有兼容USBPD的主機(jī)控制器。此外，還必須對電纜進(jìn)行配置才能支持該標(biāo)準(zhǔn)。

　　USB PD不僅僅是增加了功率，它還有利于雙向功率輸送，可大幅提高用戶設(shè)備充電和供電的靈活性。在此基礎(chǔ)上，由于USBPD能夠通過VBUS連接進(jìn)行功率協(xié)商，而不是使用數(shù)據(jù)連接，因而能夠同時傳輸功率和數(shù)據(jù)流。表1顯示了USB輸送能力在最近幾代產(chǎn)品中的提升過程。

　　表 1：USB功率輸送(USBPD)規(guī)格

　　在高速數(shù)據(jù)規(guī)格方面，USB 3.1第2代定義了數(shù)據(jù)和功率信號，但沒有指定物理連接。這使得我們能夠使用傳統(tǒng)的Type-A或Type-B連接器和電纜來連接USB 3.1第2代設(shè)備并達(dá)到10 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，只要它們具備足夠的電流、電壓和信號完整性特征。同樣，我們只需使用簡單的硬件適配器，便可使用USB-C連接器提供USB 2.0等傳統(tǒng)連接標(biāo)準(zhǔn)。

　　高質(zhì)量USB-C連接器的選擇

　　很顯然，并非所有USB-C連接器或電纜組件都是“生而平等”的，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品能夠提供更出色的性能，在更長的電纜上展示更可靠的通信能力。

　　除了考慮為未來產(chǎn)品選擇的材料和USB-C連接器的質(zhì)量之外，設(shè)計(jì)人員還可在兩種版本的Type-C插座之間進(jìn)行選擇，請參見圖2。傳統(tǒng)上，標(biāo)準(zhǔn)SMT安裝插座位于PCB的上面。但在這種情況下，總裝配高度為PCB厚度與連接器高度之和?；蛘撸虚g安裝式連接器可以安裝到PCB的凹陷處;雖然這樣可減小總裝配高度，但中間安裝式連接器不允許出現(xiàn)信號線在連接器下方走線的情況。

　　圖2：SMT和中間安裝式USB-C連接器(圖片來源：CUI Inc.)

　　本文總結(jié)

　　在消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場中，USB Type-C連接器的應(yīng)用正在迅速普及。為了滿足這種持續(xù)增加的需求，電子元件制造商CUI提供了一系列高質(zhì)量的USB Type-C插頭和插座，包括SMT和中間安裝類型。這些連接器的設(shè)計(jì)目的是達(dá)到USB3.1第2代規(guī)格中定義的通信速率，同時滿足設(shè)計(jì)人員當(dāng)前和未來的需求。