USB连接器和电缆的广泛概述
USB连接器和电缆的广泛概述
USB是一种连接电脑与设备的串行总线标准，已经广泛应用于包括个人电脑和移动设备等产品之中。这个拥有悠久历史的接口，标准仍在持续演进，已经成为相当普遍的通信标准。本文将为您简介USB接口、USB整体的发展历程，并介绍由CUI Devices推出的USB Type C连接器产品线。
USB已经成为当今主要信号传输技术
USB是通用串行总线的缩写，所谓的“总线”是一种电路布置或通信系统，用于在系统中的组件之间传输数据。在这种情况下，“串行”总线通过单根导线一次一位地传输数据。然而，USB连接器可以在组件之间传输的不仅仅是数据，它也可以用于传输电力，并且可以容纳许多不同的硬件设备，从打印机和键盘到手机和闪存驱动器。
在开发USB协议之前，电脑同时使用串行和并行端口来完成数据传输，各个设备使用各种专有插头、连接器、电缆、扩展卡和必要的驱动程序。数据传输速率很慢，并行端口的运行速度约为每秒100 kB，串行端口的运行速度为每秒115至450 kb。
USB 1.0规范于1996年初首次亮相，经过相关公司联盟的大量工作，最初可以以每秒1.5 Mbit的低速和每秒12 Mbit的全速传输数据。随着2000年USB 2.0以每秒480 Mbit的速度发布，以及2008年USB 3.0以每秒4.8 Gbps的速度发布，传输速度进一步提高。之后USB 3.2取代了3.1和3.0标准，速度高达20 Gbps，是目前最常用的标准。目前最新版本是于2019年发布的USB4，传输速度高达40 Gbps，并且正在慢慢被引入使用于各种设备之中。
多年来，USB标准一直由USB-IF组织所指导和认证，该论坛拥有700多家成员公司。多年来，USB-IF的工作促成了一系列标准的发布，规格的传输速度越来越快。通过小型且廉价的USB接口来提高速度和视频分辨率，使USB连接器成为当今世界使用的主要信号传输技术。
多样化USB物理外形满足不同需求
USB连接器有多种类型或物理外形规格可用于各种应用，包括：
* Type A：这是最原始的、最常见的USB连接器，也称为USB标准A型，它用于将下游外围设备连接到主机设备。平坦的矩形形状通过摩擦固定到位，以便于插入和移除。它在其中一个引脚上提供5 V直流电源，并与所有类型的USB协议兼容。
* Type B：Type B连接器最常用来与USB电脑外围设备相连接。这个连接器是方形的，顶部有稍微倾斜的角，与Type A一样，它通过摩擦固定到位。它的开发是为了允许连接外围设备，而没有造成将两台主机相互连接的风险。这种连接器类型目前仍在使用，但微型版本更为普遍。
* USB Type C：这是最新的USB接口，具有可逆对称设计，可以任意一侧朝上插入，并且可以使用电缆的任一端插入任何USB-C设备。它可以传输USB 3.2（以前的3.1和3.0）、2.0和1.1信号，并且可以高达20 Gbps的速度传输数据，双向功率传输高达100 W（可通过USB PD 3.1扩展到240 W），并且可以支持DisplayPort视频和四声道音频。Type C还支持USB4和Thunderbolt，Thunderbolt是一种硬件接口，允许将外围设备连接到电脑，数据传输速度高达40 Gbps。
* Micro与Mini A及B型：这些是Type A和Type B连接器的小型版本，提供物理上更小的连接，同时保持480 Mbps的高速传输速率和移动（OTG）功能，允许移动设备和其他外围设备充当USB主机。
* USB Type AB：这种连接器则允许Micro A和Micro B插头连接到这种单一插座类型，以提供更大的灵活性。
各种类型的USB连接器只能与其关联的公头或母头连接器配对，并没有交叉兼容性。虽然连接器本身是标准的，但使用它们的外壳可以根据不同的应用进行显着更改，这导致了IP等级（入口保护）USB连接器的开发，这些连接器能够提供强大的保护，防止固体或液体侵入恶劣环境中使用的设备。
大多数USB电缆组件的一端也有一种类型的连接器，另一端有不同类型的连接器，Type A到Type B或Type C非常常见，由于Type C专门设计为可互换，因此Type C更常见于电缆的两端，并且随着Type C端口被更广泛地采用，其使用量也正在逐渐增加。USB 3.0 Micro B插头则具有更宽的连接以适应更高的数据传输速率，但不能与USB 2.0 Micro B插座一起使用。但是，带有USB 3.0 Micro B端口的设备可以与较旧的USB 2.0 Micro B型公插头配对。
当将USB连接器纳入设计时，还需要注意的是，一些地区正在引入法规，要求新电子设备必须使用USB Type C连接器作为充电电缆。例如，欧盟已宣布移动设备的充电器必须在2024年采用USB Type C，笔记本电脑也将在2026年紧随其后。这意味着在欧盟销售的所有移动设备都将使用相同类型的充电器，有利于环境和感到沮丧的消费者。
持续演进更快速的USB通信标准
USB通信标准定义了所用设备之间的数据传输速度、握手协议和电源规格。多年来，该标准有了重大改进，数据传输速度从每秒1.5 Mbit的USB 1.0到速度高达20 Gbps的USB 3.2，再到现在速度高达40 Gbps的USB4，每个后续版本都促进了新一轮的互连硬件。
USB通信标准因频繁的追溯命名更改而令人困惑，但目前USB 3.2是最容易获得的USB标准，它与Type A和Type C连接器兼容，尽管它可以从5 Gbps到20 Gbps不等。然而，正如许多安装的情况一样，不同的版本经常在同一个系统中使用。如果使用较新USB版本和旧版本的设备正在通信，它们将默认使用旧版本和速度。这是软件的功能，但与标准的兼容性也与硬件有关。
所有Type C连接器都与USB 3.2兼容，但某些Type C连接器仍符合早期标准。Type A和Type B取决于电缆，不同的连接器颜色通常表示不同的版本以供快速参考。在查看物理连接器标准和通信标准之间的关系时，经常会出现混淆。
依据原始标准，USB连接需要主机。Type A连接器通常表示为主机设备，而Type B通常连接到外围设备。使用USB OTG（On The GO）时则没有此要求。USB OTG是一种允许USB设备（如智能手机）充当主机，允许连接其他USB设备的规范。基本上，它允许USB设备在不需要电脑的情况下从其他设备读取数据。
USB供电规范的进展
USB标准最初是一种数据接口协议，用于简化设备之间的互连，并提供了一些电力。如今，它已经从提供有限电力的数据接口，发展成为包括数据接口在内的重要电力管道，许多设备现在能够通过USB连接充电或接收电力。
众多厂家们齐心协力使电力传输标准化，并以USB电力传输（USB PD）标准的形式增加功能集。当使用Type C时，USB PD可以提供高达20 V的可变电压和高达5 A的最大电流，总功率传输限制高达100 W。在2021年发布的USB PD 3.1标准，则已将功率传输能力扩展到240 W。此外，功率方向不再固定，不仅可以从主机或外设供电，还可以跨多个外设优化电源管理。
USB PD需要数字设备握手才能达到这些更高的额定值，如果缺乏必需的芯片且不能实现握手，系统将恢复为5 V/1 A标准。这与USB版本和类型无关，但需要类型来支持USB PD标准。例如，支持2.0及更新版本的Type A转Type C电缆可以使用PD功能。
PD还可以与不传输数据的设备一起使用，纯粹利用USB供电。它确实需要单独的通信线路来进行电源协商，因此设计和制造比许多非USB格式稍微复杂一些。PD创建了一个跨大量设备的充电标准，简化和整合了充电器，这一事实可以抵消这种复杂性，可以减少电子垃圾和不同设备需要多条电缆的不便。
USB应用不断扩展到各种电子设备
通过提供小尺寸、易于设计和使用、高通信速度以及增强的功率传输，USB连接器可用于非常广泛且不断增长的应用，像是台式电脑和笔记本电脑、磁盘驱动器、打印机、扫描仪、游戏手柄和控制器、摄像机、手机、智能电视、游戏机等。对一些不需要数据传输的设备，USB连接器也可以单独用于为可充电手电筒、充电板和许多其他便携式消费设备等供电。
最新USB标准的稳健性和速度也开辟了更多应用，它现在具有带宽、可靠性和功率传输能力，可用于数据采集和监控、机器视觉和过程控制等工业应用。基本上，任何使用240 W或更少功率的应用都可以使用USB电源供电。
CUI Devices推出了众多的USB连接器系列，包含符合各种USB标准的Type A、Type B、Micro AB、Micro B、Mini AB、Mini B和Type C USB连接器类型，也包括2.0、3.2 Gen 1（以前的USB 3.1 Gen 1)、3.2 Gen 2（之前为USB 3.1 Gen 2）、3.2 Gen 2x2（之前为USB 3.2）和USB4 40 Gbps。凭借高达着40 Gbps的数据传输速度和高达240 W的功率输出，这些USB连接器几乎可以用于任何设计。您可以到艾睿电子的网站直接采购相关的产品。
总结
USB是一种非常灵活的标准，在需要数据传输和电源的领域几乎得到普遍采用。USB连接器和电缆组件结合了易用性和智能技术规范，使产品或系统设计人员能够降低布线需求和混乱、减少占地面积、确保向后兼容性，并削减总体成本。无论是为未来设计还是连接传统产品，了解USB的功能将有助于设计人员创造出可供地球上几乎任何人都可使用的产品。
审核编辑：汤梓红
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