USB Type-C技术在多方面的应用

电子设计 2018-09-25 6873

描述

USB Type-C次世代连接接口将改变我们与电子产品的互动方式，并为我们接收与传送数据的方式带来突破性的功能。它的电力、数据与影像传输功能、耐用性及易用性，将为个人电子装置、行动通讯与运算、汽车、工业以及物联网等市场的用户、工程师及制造商带来前所未有的机会。

通用总线（USB）连接无所不在，在智能型手机、计算机、数字相机、打印机及各种装置充电与互动应用中扮演重要角色。建立在前几代USB的稳固基础上，能将电力、数据与影像统合在一条防误插缆在线的Type-C，势必将成为20年前USB标准问世后，最重要的连接技术发展（图1）。

图1 第一个USB 2.0埠于2000年推出，此标准持续发展至USB Type-C技术。

Type-C的缆线将协助工程师与制造商创造更薄且更优雅的产品，并促进新兴技术的发展。消费者将来只需携带一条USB埠缆线，不用再带着好几条缆线出门。为了支持多种应用，此USB连接器的外观与功能将不同于以往的标准版本。

连接接口遍地开花　Type-C连接器大秀战力

USB Type-C很容易使用与插入，缆线两端的外观与功能完全相同。此款连接器本身的尺寸类似现有的USB 2.0 Micro-B，但正反皆可插入。

USB Type-C便利性与防误插设计解决了世界各地USB使用者实际面临的问题，因为现有的USB缆线只能以单一方向插入。如有需要，亦可将缆线设计为可在一端使用旧款USB插头，另一端则使用Type-C插头。市场上将推出转换器以协助使用者顺利地从使用目前USB标准的装置转换为Type-C标准。

单条USB Type-C连接器可提供目前电子装置需要多个连接器才能提供的功能。以笔记本电脑为例，其通常配备一个圆形电源接头，可透过电源供应器为装置充电；不仅如此，更具备视讯连接器功能，例如可支持DisplayPort或HDMI显示器。另外，具数据传输的功能，可用于连接USB周边装置，例如硬盘、随身碟等。

USB Type-C连接器亦支持音讯连接，可让用户连接耳机。试想一个单一Type-C连接器即可提供与四个（圆形插孔、USB、DisplayPort及音讯）独立连接器相同的功能。这真正反映了Type-C连接器的通用功能，同时提供时尚且简洁的终端产品设计。Type-C连接器与缆线的设计可提供最高20Gbit/s的数据传输速率，可因应未来多年的需求。

在一开始，USB接口已将数据与电力结合至单一连接器。随着此接口的进化，数据传输速率从最初USB1.0的12Mbit/s提高至最新USB 3.1 Gen2的10Gbit/s。

USB 3.1的VBUS电力供应能力亦透过附加的充电功能而有所提升。但是，高传输速率的影音（A/V）接口仍然各自独立。某些解决方案，如Thunderbolt与DockPort曾尝试利用为人所熟悉的连接器（例如DisplayPort）带入影音功能，然而却从未能够在市场中达到突破性的成长，苹果（Apple）所推出的Lightning连接器，虽然提供了备受使用者喜爱的、正反皆可插的功能，但却缺少USB SuperSpeed（SS）与高分辨率视讯功能。

USB Type-C带来统一的连接器应具备的所有功能，将数据、音频、影像及电力有效地整合至单一接口（图2）。这些功能皆以能透过模块化运作的方式加以定义。此接口亦提供仅使用旧型USB功能的模式，亦即仅提供USB数据与默认的电力，可搭配选择性的USB Power Delivery（PD）通讯协议，以进一步强化电力并可透过替代模式（Alt Mode）支持视讯传输。

图2 USB Type-C可协助提供简单的设计。

实现影音/大功率输出　Type-C接口好处多

Type-C提供较过去任何USB版本更高的电力，此接口原生可提供15瓦的电力，为标准USB 2.0充电速率的6倍，为最快速的USB电池充电（BC）1.2速率的1.5倍。虽然15瓦对于大多数智能型手机与平板计算机而言可能已经足够，但标准缆线搭配USB PD可提供60瓦功率，若搭配专门用于充电的缆线，可提供最高100瓦的充电功率。如此将可为各种装置充电及供电，例如笔记本电脑、平板计算机，以及目前仍无法透过USB充电的各类装置。依据Type-C标准，USB电力为双向，可让单一装置接受供电或做为供电来源。

USB标准的最大进步在于能够支持交错模式，如此即可将其他通讯协议加入缆线。此功能可交换USB数据、电力及其他通讯协议，这通常是指影像。目前最广为人知的通讯协议包括DisplayPort、Mobile High-Definition Link（MHL）、Thunderbolt及PCI-Express。替代模式可在缆在线传送未经压缩的视讯，同时维持USB 2.0数据以及Type-C与PD充电能力。

Type-C多重角色影响设计实作

USB Type-C连接器以对称的方式定义，插头可以正面朝上或朝下插入，缆线可以从任何一端插入，这些使用上的弹性需要讯号多任务器（Mux）来实现。基本Type-C需要信道组态（CC）功能，让主机与客户端装置能相互探索彼此所连接的装置。

CC控制器功能可提供相关机制，让Type-C端口依据所需要的系统动作，将本身识别为上行数据链路埠（DFP）、上行数据链路埠（UFP）或双重角色端口（DRP）。在预设组态中，DFP最高可透过5V VBUS提供15W功率。若要提供或使用超过15W的功率，将需要USB PD通讯协议。进入与结束替代模式合约时，亦需要USB PD。

USB Type-C的弹性能够在许多不同的应用中提供多样化的安装模式，依据应用的不同，电子装置可扮演数据、影音及电源等不同的角色。表1摘述部分使用案例，依据这些偏好选项，Type-C端口实作将有所不同。

表1 Type-C应用及其角色

在基本USB 2.0组态中安装Type-C连接器只需要CC控制器，若要支持USB 3.1则需要额外的数据多任务器。USB PD可提供强化电力与替代模式影像的额外功能。

OEM/ODM厂商皆看好 Type-C涨相佳

相信市场将快速朝向将USB Type-C整合至终端装置的方向发展，计算机产业是最早采用的领域，在2015年底节庆旺季已推出相关笔记本电脑、桌面计算机及周边装置等产品。

手机产业将紧接着成为第二个采用的领域。作者所接触过的所有原始设备制造商（OEM）与原始设计制造商（ODM）皆表示非常看好USB Type-C的未来。其中大多数的业者皆有多项项目正在进行，准备将此接口整合至他们的平台。

USB Type-C将能够让手机提供更多功能，过去手机为顾及时尚的外观设计使其无法配备视讯连接器，例如DisplayPort或HDMI，现在这一切已有所改变。现在使用者可在Type-C手机上透过小型扩充座，让手机成为桌上真正的全功能个人计算机，连接高分辨率屏幕、键盘、鼠标及外接式硬盘。

汽车产业正面临巨大的转变，因为它提供更多的技术以提升安全性、效率及可靠性，并且让驾驶者与所驾驶的汽车有更多人性化的互动方式。相信汽车产业在新车中采用Type-C端口的速度，会比过去采用旧世代USB的速度来得更快。正反皆可插的便利性以及至少15瓦电力的实用性，对于驾驶者来说非常具有吸引力。

Type-C将为汽车产业开启许多新的机会。乘客将可在行驶过程中上传播放列表与高分辨率影像、透过更大的屏幕观赏影片，并同时为手机充电。由于应用程序可实时提供交通信息，告知去哪里加油最便宜，而且无需操作手机，驾驶及乘客将可更便利地安排他们的生活。

个人电子装置如相机、摄录像机、无人机及许多其他装置，也将很快地开始采用Type-C做为最快速的数据与视讯传输方式，并提供较旧时代产品更高的电力。

可统合手术室等各种环境中的缆线，势必将成为吸引医疗领域的特点。Type-C可让医疗专业人士在用于显微手术的计算机屏幕上获得更高的分辨率，并且在关键程序中以更快的速度传送数据。

终端产品陆续导入 Type-C商机起飞

Type-C的主要特色是能为装置提供更大的电力，Type-C最低可提供15瓦，最高100瓦的功率，势必将改变供应电力的方式。

目前有许多建筑业者安装附带目前世代USB端口的电源插座，为了跟上市场的潮流，开发这些插头产品的企业将会希望未来能够提供Type-C插座，而这些产品选项已即将问世。

更重要的是，市面上已有业者看见此商机，该业者表示，电源供应器将从终端产品上消失。例如，笔记本电脑产品将不再提供电源供应器，Type-C缆线将取代变压器，以降低产品的整体成本。变压器未来将用于手机、笔记本电脑、相机及其他许多产品，例如，假设15瓦转接器无法提供足够的电力，您可以购买45瓦或60瓦的变压器，而且这些变压器亦可用于电力需求较低的装置。额外的电力功能将鼓励许多终端设备制造商不再采用现有的USB连接器，而是转为采用Type-C提供电力。例如，串流播放装置、机顶盒、玩具、个人医疗保健电子产品等。

此外，连接器的数据传输能力亦将大幅提升。Type-C连接器带宽可达5Gbit/s或10Gbit/s，Thunderbolt替代模式等自定义功能可提供最高40Gbit/s的传输能力。

透过次世代的电力与数据功能，用户与计算机的互动方式将会改变。使用者新的笔记本电脑可能不会内建显示适配器，因为Type-C缆线将会有足够的带宽可提供未经压缩的影像。用户将在工作时携带超薄的计算机，然后将计算机带回家并插入扩充座，享受高阶显示适配器的完整效果。

Type-C将为许多产品带来机会，例如通用扩充座、传输速率更高且自我供电的装置，以及许多终端装置与尚未发现的创新。USB Type-C势必能让生活更加轻松。此款简洁的连接器将减少携带的缆线数量，改变即插即用的概念，并为开发人员与制造商提供前所未有的机会，开发各种可改善人类生活并提升生活、工作与玩乐方式的各种创新产品。

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