USB-C设计不容忽视的“最后一厘米”

时间进入了21世纪的二十年代,USB Type-C(以下简称USB-C)接口继续呈现“蔓延”之势,只要能往电脑上插的电子设备几乎都有USB-C接口。不久前结束的CES2020消费电子展,无论是显示屏还是SSD或电源适配器,消费电子辅件的品牌商也都高调推出各自USB-C接口配置。

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USB-C是由USB-IF标准组织于2014年底推出的基于USB传输标准的USB接口形式版本。在电子设备追求日益小型化和标准化的趋势下,USB-C为何有一统“接口”江湖的潜力,我们不妨先简单梳理一下USB规范和对应USB连接器版本的进化过程。

USB简史

USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)传输协议的简称,最早于1994年由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC以及Nortel七家电脑行业巨头联合提出并研发和制定。随后,这几家公司建立了一个推广和支援USB的非营利性组织,名为USB Implementers Forum,也就是现在的USB标准化组织USB-IF。

USB-IF于1996年提出的USB1.0规格,传输速率仅有1.5Mbps,最大输出电流5V/500mA。当时支持USB的周边装置很少,主机板商也很少将USB接口直接设计在主机板上。

2000年USB 2.0标准出台,传输速率达到480Mbps(60MB/s),是USB 1.1的40倍,最大输出电流5V/500mA,采用4个针脚设计,对应接口和线缆设计也呈现很多形式版本(图1)。USB 2.0从推出至今仍然在服役,翻翻抽屉也许你还能抓出一把!

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图1:USB 1.0–2.0使用的USB接口类型
(图片来源:IT之家网站)

2008年发布的USB 3.0标准最大传输速率达到5.0Gbps,即640MB/s,最大输出电流5V/900mA。USB 3.0的接口改用9针脚的设计,前面4个与USB 2.0一样,后面的5个则是为USB 3.0特别准备的。

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图2:USB 3.0–3.1使用的USB接口类型
(图片来源:IT之家网站)

2013年7月,USB 3.1(后来更名为USB 3.2 Gen 2)发布之后,USB-IF于2014年随即推出USB-C版本连接器。USB-C一改多年不对称的设计,通过在接口两面各使用12个对称的引脚,使连接器正反两面皆可插入,同时将针脚增加至24个。

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图3:USB-C连接器的引脚规格
(资料来源:USB实现者论坛)

2017年9月,USB-IF发布USB 3.2规范(后改名为USB 3.2 Gen 2x2),并明确未来将USB-C作为唯一推荐的物理接口方案。USB-C支持双10Gbps通道传输数据,速度可达20Gb/s(2500MB/s),最大输出电流20V/5A。

而仅仅在5个月前(2019年9月),USB-IF发布了最新的USB4规范标准。没有任何悬念,USB4不仅确认仅使用USB-C接口,而且USB4的设备还都支持USB PD (USB Power Delivery,USB电力传输)。

USB PD是目前主流的快充协议之一,该规范可实现更高的电压和电流,输送的功率最高可达100W,并可以自由的改变电力的输送方向。而USB PD充电接口的标准形态就是USB-C。

此外,USB4新的特性还包括40Gbps的最大传输速度,默认与雷电3接口兼容,并且具有动态的带宽资源分配能力。USB4的传输带宽是USB3.2的两倍,是USB3.1的4倍,USB3.0的8倍,最高提供100W电力、可外接显卡、两台4K显示器或单台5K显示器等。

USB-C生态

USB-C推出不久,苹果就看到了USB-C接口的强大潜力,并在2015年发布的超轻薄笔记本电脑MacBook上率先使用了USB-C,且只配备了一种接口。这在当时是个非常激进的举动,相当“刺激”。

后来,Thunderbolt 3.0宣布放弃自有物理接口标准而采用USB-C,USB-C与Thunderbolt 3.0兼容并可以达到高达40Gbps的数据传输速度。苹果2016年最新版的MacBook Pro上,又一口气用了四个USB-C作为Thunderbolt 3.0的物理接口,USB-C作为未来高速数据传输接口标准当时已没有太大悬念。

IHS的报告就曾经预测,USB-C接口使用量最大的市场将集中在智能手机、平板和笔记本电脑上,现有USB覆盖的所有领域都可用USB-C取代。

除了苹果,终端厂商如谷歌也在笔记本平板电脑上使用USB-C接口。Intel则开始在软硬件两端着手准备用USB-C取代3.5mm模拟音频接口。在数据存储、显示、快速充电、扩展坞等其他应用方面,都已经有很多USB-C接口的产品上市。

智能手机是USB-C另一个最主要的市场和增长驱动力。2015以来,USB-C逐渐出现在主流智能手机品牌的高端旗舰机型中,华为、三星、小米等安卓主力厂商的旗舰机型纷纷使用USB-C代替目前的USB Micro B。从高端到低端逐级渗透,是USB-C在智能手机中的发展路线。

数字耳机将是USB-C在可穿戴应用的突破口。在数字流媒体市场快速发展的环境下,手机端取消3.5mm模拟音频接口是大趋势。从高清无损音源到音频处理电路,再到音频输出设备,一场数字音频的变革势在必行。

USB-C还将是VR/AR设备连接的最终解决方案。USB-C集高速数据、快速充电、音视频于一体,最适合VR/AR设备高清、大带宽、低延迟和人机交互的VR/AR需求,将是VR/AR设备与PC和手机连接的最终解决方案。同时,最新款的平板电视也开始导入全功能USB-C,实现接口统一。

USB4标准发布后,USB-C的生态还将从便携消费类电子、手机和笔记本电脑产品扩展到更多的领域,比如充电器、飞机座椅靠背、工业电源插排、汽车和电子设备中。

电子产品“功能多样,交互简单化”是始终不变的发展趋势,也是终端消费者的具体需求。USB-C接口可正反插、传输高速数据、兼容PD协议、提供高达100W的充电功率,有望在电子设备上代替其他数据、音频、视频和电源接口,最终实现接口的统一。

USB-C的最后一厘米

一统“接口”江湖,无疑将USB-C置于跨硬件平台的大生态中。广泛的应用场景、高速数据传输、更复杂的系统,对接口和线缆的信号与电源完整性的实际要求更为严格,对线缆和连接器的材料选择、物理机械性能、以及企业生产制作过程提出了新的要求。

USB-C接口和线缆的设计与制造无疑是整个链条上所不容忽视的“最后一厘米”。

我们可能都经历过使用USB 3.0的Micro-B连接移动硬盘和电脑时出现无故跳断的情况,通常所能做的就是热拔插,然后是换一根连接线。对于用在USB4应用的USB-C连接器和电缆而言,40Gbps传输速度和100W全功率供电,任何连接问题和不稳定都是绝对不允许的。一根USB-C必须是这样的:

  • 高可靠:电气连接和机械性能禁得住考验

  • 高速:支持高数据传输

  • 高密度:支持高功率应用

Molex USB-C紧凑型连接器和电缆系列(Part# 2012670005),就是为USB-C GenII标准而设计制造,支持最高达10Gbps的传输速度,满足100W全功率供电能力。

为了得到出众的机械强度和紧密,Molex USB-C插座通过将高温尼龙注塑模外壳放入金属外壳制成,具有中间连接板,支持稳定可靠的插配操作,减少了中间板与终端之间潜在短路,提高了连接的强度。而且为了应对USB多拔插、以及拔插过程中无意的滥用损伤,中间板采用“舌头”设计,这种梁的几何设计提供了可靠的外力以应对恶劣的使用场合,确保高可靠的配接过程。

“图4:Molex
图4:Molex USB-C插座

Molex USB-C电缆插头上采用单件金属护罩,便于线缆生产中轻松识别和区分非Type-C USB电缆;为了提高连接强度,减少中间板和终端之间的潜在短路,插头采用正常强力终端设计,短配合长度,节省空间、提高设计灵活性;插头外壳和护罩之间填充聚酯薄膜,防止配接过程中出现潜在电气短路。

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图5:Molex USB-C插头

Molex USB-C电缆采用全屏蔽设计,提供完美的EMI/RFI保护功能,同时具有100W(20V/5.0A)供电能力和最高达10Gbps的传输速度,支持4K高清显示屏。

“图6:Molex
图6:Molex USB-C电缆

Molex还提供可供中间安装和顶部安装的USB-C版本,因此,使用Molex USB-C连接器和电缆组件,可以大大节省PCB空间。

所有这些设计特点,使得Molex USB-C连接器和线缆不仅适合高性能的消费类充电设备,而且在车载娱乐系统、飞机信息娱乐系统、工业、安防、数据应用等各种对传输速度和可靠性远高于消费类产品的领域都大有应用空间。

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