标准是好的,但有时您需要更多。例如USB Type-C就是这样一个例子;USB Type-C旨在创建一个用于高速数据传输和电力传输的标准接口,仅需一根电缆,取代需要多根电缆的需求。这很有意义,部分原因在于电子设备制造商不愿为他们付运的每一台设备提供电缆,还因为消费者正在处理大量被闲置在抽屉、橱柜和台式机上的“备用”电缆。

但是,对一个规范进行标准化并不意味着所有设备的创建都是相同的。支持USB 3.x 供电的协议还使供应商能使用所谓的供应商定义消息模式(VDM)通过配置通道(Configuration Channel,CC)与设备通信。使用VDM,供应商可以交换不止USB 3.0供电规范所定义的信息。它可以用于各种事情,但也意味着制造商可以直接与他们自己的设备通信。这种设备作为任何其他设备上的标准出现,但给客户带来了附加价值,如使用专门为其手机设计的壁式适配器的客户。

“”

接入VDM用于USB控制器中,并将进一步增加USB Type-C连接的吸引力,实现诸如更快的充电或将设备进入备用或辅助模式等功能,以能够重复使用某些连接来接受非USB协议。

这些特性将为USB创建新的应用,特别是在供电方面。继续驱动超低功耗处理意味着可以用更少的功率完成更多的工作,并且由于USB连接的总功率现可达100 W (图1),这开启了各种各样的可能性。但要实现这一潜力,需要一个能够实现预算的USB控制器。

“【图1:USB
【图1:USB Type-C电源配置选项】

Part 1、快速充电

供电规范与现有的电池充电规范一起工作,但在使用VDM时带来了额外的好处。最值得一提的是,它支持高通的快速充电功能,基于选择Snapdragon处理器,从而提供更高的功率,为智能手机提供更快的充电周期。其他制造商也可获批使用这项技术。目前正使用的几种充电协议,如摩托罗拉的TurboPower充电技术、联发科的Pump Express和三星的自适应快速充电技术。

当不使用兼容的电源适配器时,智能手机将默认为较低的功率设置,但当它与制造商自己的/批准的充电器一起使用时,用户将得以更快的充电。虽然不同制造商的规格不同,但USB 3.1PD规范在5V到12V之间能提供高达27W的功率。

为了帮助消费者选择合适的方案,USB开发者论坛(USB IF)已将USB充电器规范和Logo程序扩展到包括USB快速充电器。本程序认证的充电器支持USB PD 3.0规范的可编程电源(PPS)特性。

PD的部分吸引力在于它支持通过USB供电的设备与电源进行协商,只提供所需的电量。这包括比默认设置需要更少功率的设备,将意味着电源可以为更多的设备提供电力,在设备之间共享电源,和为设备提供的不止是电力。例如,显示器可以为笔记本电脑及外部硬盘提供电源和通信通道,从而支持笔记本通过显示器访问硬盘驱动。

Part 2、移动电源

USB接口提供的电池充电功能无处不在,多年来一直为移动电源制造商所用。虽然移动电源提供了一种方便的方式,在远离插座的情况下获取额外的电能,但从电池充电向电力传输的转变将需要新一代的移动电源。支持PD提供的可变功率引入了一定程度的复杂性,与通常使用简单的通用电源管理IC或调节器的现有的移动电源设计不兼容。

为了支持PD的所有功能,包括使用VDM的快速充电,移动电源制造商将需要转向设计一个智能控制器来提供通过USB PD提供的功能。例如安森美半导体的LC709501F。这高度集成的基于Flash的可配置设备汇集了所需的所有功能,通过多个USB接口管理锂离子电池提供的电源。图2所示为一个典型的应用示例。

“【图2:使用LC709501F的典型移动电源应用】”
【图2:使用LC709501F的典型移动电源应用】

通过安森美半导体开发的固件,配置也可扩展到使用VDM模式,因此制造商可增加额外的价值,如实施快速充电技术。

它直接驱动外部MOSFET以提供可扩展的电源,而它的开关控制器产生所需的电压,从5V到12V。通过选择合适的外部MOSFET,可支持所有的PD特性,包括快速充电3.0高压专用充电端口(HVDCP)A类。Buck/Boost拓扑使移动电源具有USB Type-C 双角色端口(DRP)和USB BC1.2,并且还包括电池状态特性,能使用四个LED来表示电池电量。利用USB 3.x的特性,智能手机应用程序可提供更多关于移动电源的信息,如充电状态、充电周期和充放电时间等。

安森美半导体提供评估板以帮助制造商设计导入LC709501F和选择最合适的固件。例如,FW02支持一个Micro-B输入,在两个通道上支持Type-A输出,快速充电3.0 HVDCP,Boost自动启动和外部Boost IC用于进一步的功率输出,而FW05支持带有DRP和Type-A输出的Type-C,就像我们用作Boost自动启动和外部升压的IC一样。更多的固件版本正在开发中,以支持其他配置。图3是FW05提供的功能图示。

“【图3:LC709501F
【图3:LC709501F FW05提供的特性图示】

通过直接支持四个LED显示电池电量,制造商无需增加一个额外的微控制器,节省了物料单(BoM)成本和降低设计复杂性。评估板(器件型号LC709501EVA05GEV)实施FW05并支持四种模式,如图4所示。

“【图4:FW05的4种模式】”
【图4:FW05的4种模式】

Part 3、一种新的控制器

USB Type-C和PD的引入将为消费者和制造商带来巨大的好处,但因为开发人员需要学习如何接入新特性,以及对工程团队提出的要求,将需要一段时间来调整。

开发一个移动电源,完全支持PD,包括多个输出和快速充电,将需要一种新的控制器,以USB 3.x为核心而开发。LC709501F是一系列设备的一部分,以使USB PD更简单、更易于开发人员接入,而且它提供难以超越的集成度。它的静态电流超低,仅15µA,加上不需要额外的微控制器的特性,说明它可提供所有这些功能,同时消耗最少的电池电量。

通过供应商定义消息模式配置控制器的能力是相对于功能较少的控制器的另一个优势,使制造商能够差异化他们的产品,同时仍然完全符合USB IF规范。

本文转载自:安森美半导体
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围观 16

本应用笔记介绍了 SAMA5x 系列微处理器中的 USB 暂停工作模式,演示了 USB 暂停功能及其在SAMA5D2/D3/D4 Xplained Ultra 板上的 Linux®中的实现和测试。

根据 USB 规范,在通过 USB 进行通信时,如果通电状态下超过 3 ms 没有总线通信活动,则通过通用串行总线(USB)供电的所有设备必须进入暂停模式。当主机无需与设备通信时,暂停模式可以减少设备对总线电源的使用。这使设备能够通过进入低功耗模式来降低功耗。总线供电的设备从 USB 汲取电流。这些设备必须降低不工作时的功耗以满足 USB 规范。有关功耗值的信息,请参见 USB 规范数据手册(版本 1.1)的第 4 节,网址为 http://www.usb.org。处于暂停模式的设备可以在其上行端口上接收到任何工作信号时恢复工作模式。它可以使用外部中断从应用恢复工作。选择性端口暂停降低了功耗,大多数暂停设备消耗 500 µA 以下的电流,其中包括来自总线上的上拉电阻的电流。暂停端口下的所有设备均暂停。SAMA5x 系列中的 USB 高速设备端口(UDPHS)和 USB 高速主机端口(UHPHS)符合通用串行总线(USB)版本 2.0 高速设备规范,其设计为在 USB 总线不工作时支持暂停模式。USB 定期在总线上发送帧起始或保活数据包。这可以防止空闲总线在没有数据的情况下进入暂停模式。

主要内容

USB 暂停模式

SAMA5Dx 器件中的 USB 端口

USB 高速设备端口(UDPHS)

USB 设备端口进入暂停模式

USB 设备端口退出暂停模式

USB 主机高速端口(UHPHS)

USB 暂停的类型

USB 全局暂停

暂停 SAMA5Dx 器件中的 USB 主机端口

USB 选择性暂停示例

USB 全局暂停示例

USB 暂停期间的功耗

USB 主机限制和更正

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围观 4

作者:Paul Pickering

USB端口可以为便携式可穿戴设备提供数据通信以及充电功能,因此保护USB端口不被滥用已经变得越来越重要了。

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任何有不良企图的人都可以轻易找到“USB杀手”,通过功率放大来攻击标准保护电路从而可以摧毁任何USB端口。这个设备看起来很像一个标准的USB闪存驱动器,其实包含的是一组依靠电容器供电的升压转换器,当插入到USB端口后,控制电路会通过USB电源引脚对电容器进行充电,然后通过数据管脚进行放电,不断重复充放电这个过程,施加一系列-200V的脉冲直到它被拔出。

游戏结束,不到一秒钟!依靠USB端口与其他部分的电路设计,这种功率激增几乎可以破坏USB端口自身和整个机器。YouTube上有很多视频显示,包括智能手机、笔记本电脑、平板电脑以及智能电视机等都受到过严重的破坏。事实上,有些人却很享受这些行为。

幸运的是,有一些设计技术可以降低USB端口的功率激增风险,USB Type-C接口提供了相应的解决方案。

降低USB端口的功率激增风险的设计技术

很多生产厂家提供USB端口保护装置,但是他们的设计主要针对某些意外事件,比如手指接触暴露的USB端口管脚,而不会针对蓄意的破坏行为。德州仪器(TI)设计的TPD4S214(图1)是一款单芯片器件,能够提供低电容瞬变电压抑制(TVS)保护和静电放电功能。

对D+和D-两个数据管脚进行了静电释放保护(ESD),其规格达到了IEC 61000-4-2 LV4级别的ESD保护标准,甚至能够承受高达±15kV的接触或空气间隔的ESD放电冲击。

“图1”
图1:TPD4S214能够防护可能发生的静电危害,但是不能防范人为的破坏(来源:德州仪器

设计师能否提供更加全面的保护呢?当然可以,但是在价格竞争激烈的消费市场,增加昂贵的电路来防护很少发生甚至不会涉及人员受伤或死亡风险的事件显得很不值得。在高价产品和服务市场则不同,比如医疗、工业设备市场同样会采用到USB端口,设计师对于这些产品有更多的预算,可以采用更多的方式来保护USB端口。

光耦器件的价格相对较低,但是不适合USB总线收发器本身:USB接口通信必须是双向的,而且D+与D-管脚的信号延迟和抖动也需要仔细的调试,这两项要求对于光耦合器件很难实现,系统设计的详细划分可以对信号链实现进一步的光学隔离,比如引入SPI通信接口,这样的解决方案可能会暴露接口使其受到攻击,但是这会保护昂贵的下游处理器和电路。

USB端口保护的最高标准是电流隔离,当然成本也是最高的,当然这点儿花费对于价值10万美元的设备来说并不算什么,代价很小但却保护了设备的安全。

ADI(亚德诺半导体)推出的LTP2884就是专门为USB而设计的:它兼容USB 2.0接口,全速率(12Mbps)收发器,并进行了完美的隔离保护,能够抵御最高2500V的电压攻击。当与使用外部电源或功率高达1W(200mA@5V)的集成DC/DC转换器时,LPT2884能够为外设提供高达2.5W(500mA@5V)的输出功率。

USB Type-C提供了一种可能的解决方案

未来会怎样?最新版本的USB接口规范,USB 3.0和USB 3.1分别将数据的传输速率提升到了5Gbps和10Gbps,使得隔离变压器变得不实用。幸运的是新的方式正在制定中,USB Type-C是最新的USB连接器规范,它开始逐渐取代USB 2.0,与USB Type-C相关的是USB电源传输(USB PD)规范,与USB 2.0简单的5V供电方式不同,它的每一对USB PD接口的点对点连接都规定了电源传输方式:确定了电源传输方向,选定要使用的电压和功率值。

USB 3.0启动小组发布了USB Type-C接口的认证规范,对USB Type-C充电(电源发射器)和设备(电源接收器)定义了基于密码认证的协议。通过该协议的实现,一旦发生有线连接时,主机系统能够立即确认USB设备或USB充电器的真实性,从而防止不适当的电源或数据传输。当然任何认证方案理论上都可以被破解,但是在提供电源之前就进行身份认证,肯定会让USB杀手的日子不好过。

当你还在等待新的方案时不如遵循下面这些简单的预防措施

当然已经设计好的设备当然就不能采用这些新的防护措施,那么怎样才能保证你的USB 2.0接口的平板电脑或笔记本的安全呢?为了实现最大限度的保护,你可以将数据存储在云端并将USB端口保护起来,这是最简单也是最持久的方式,你可以用胶水将USB接口封起来,但是更优雅的方案是USB关闭锁:锁定每一个USB端口,除非拆卸外壳否则无法移除。同样只有使用特殊安全密钥采样移除的版本也是可以使用的。

如果你想让你的USB端口比较容易使用,现在是时候多做一些了解了,不要插入陌生人给你的Flash存储器,或者你在地上捡到以及别人遗弃的设备。即使你信任给你USB设备的人,但是也要确认他们之前正常使用过或者是从合法有认证能力的厂商(比如贸泽电子)购买的。最后永远不要让你的电脑处于无人照看状态,未经许可的人可能会有机会破坏它。

令人遗憾的是没有简单的解决方案可以彻底解决“USB杀手”这个问题,但是遵循上面提到的一些简单的预防措施可以确保你的平板电脑、笔记本和智能手机的安全。

原文链接:https://www.mouser.cn/blog/protect-usb-ports-from-nefarious-usb-killers

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围观 157

今日,Maxim宣布推出MAX22505 ±40V高速USB故障保护器,帮助设计者排除任何故障对USB口的损害,包括高达±40V的地电位差,避免了竞争方案参数折中。器件可用于保护24V交流或40V直流供电的工业设备数据线及电源线,方案尺寸缩小50%以上,以支持工业应用。

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当今工业环境中,开发人员仍在不断地努力减小方案尺寸,提高生产力和产量,保持更高的系统稳定性和更长的正常运行时间。因此,由于连接器尺寸变得更小,自动化设备开始采用USB口替代RS232口。随着工业环境采用USB口支持实时诊断、可编程逻辑控制器(PLC)的编程/服务或摄像头视觉系统,以获取更快的通信速度,需要对USB口的过压和地电位差等故障提供有效保护,同时还要兼顾高达480Mbps的高数据率要求。这些系统可能发生对主机侧和设备侧的同时损害,需要实现高压故障保护的独特方案。目前市场上已有的USB故障保护方案无法同时兼顾USB的工作速度和数据线、电源线的限压/限流保护。所以,市场上的现有方案成本昂贵,且不能为高速USB提供有效的故障保护。

MAX22505的推出迎合了市场需求,是业内唯一能够提供工业高速USB故障保护 (480Mbps) ,并可以灵活地支持主机或设备侧应用,包括便携式 (OTG) USB的解决方案。器件可保护设备不受来自电源和数据线上的过压或负压、以及设备之间地电位差造成的损害。与竞争方案相比,器件可将方案尺寸减小50%以上,同时在恶劣环境下确保可靠通信,以及实现高成效、更简单的设计。器件采用24引脚、4mm x 4mm TQFN封装,工作在-40°C至+105°C温度范围。支持包括楼宇自动化、工业PC、PLC以及USB诊断端口等应用。

主要优势

可靠通信:防止过压、负压、地电位差造成的损害;集成VBUS/GND电源线 ±50VDC保护;集成D+/D-数据线 ±40.7VDC保护
小尺寸:相比竞争方案,尺寸减小50%以上
高性能:支持高速率(480Mbps)、全速(12Mbps)和低速(1.5Mbps) USB工作速率

评价

“在此之前,业界尚无适用于高速USB故障保护的方案。Maxim的方案为提高工业系统的可靠性铺平了道路,特别是在当今工业设备诊断端口越来越普及的形势下。”
-- Databeans研发总监Susie Inouye

“随着Maxim在通信可靠性领域的投入进一步增强,我们的客户得以实现针对工业电压应用的高速USB故障保护。 ”
-- Maxim Integrated工业与医疗健康事业部执行业务经理Timothy Leung

本文转载自:美信半导体
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围观 17

前言

USB是一种快速、双向、同步传输、廉价、方便使用的可热拔插的串行接口。由于数据传输快,接口方便,支持热插拔等优点使USB设备得到广泛应用。目前,市场上以USB2.0为接口的产品居多,但很多硬件新手在USB应用中遇到很多困扰,往往PCB装配完之后USB接口出现各种问题:

比如通讯不稳定或是无法通讯,检查原理图和焊接都无问题,或许这个时候就需怀疑PCB设计不合理。绘制满足USB2.0数据传输要求的PCB对产品的性能及可靠性有着极为重要的作用。

USB协议定义由两根差分信号线(D+、D-)传输数字信号,若要USB设备工作稳定差分信号线就必须严格按照差分信号的规则来布局布线。根据笔者多年USB相关产品设计与调试经验,总结以下注意要点:

1、在元件布局时,尽量使差分线路最短,以缩短差分线走线距离(√为合理的方式,×为不合理方式);

“”

2、优先绘制差分线,一对差分线上尽量不要超过两对过孔(过孔会增加线路的寄生电感,从而影响线路的信号完整性),且需对称放置(√为合理的方式,×为不合理方式);

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3、对称平行走线,这样能保证两根线紧耦合,避免90°走线,弧形或45°均是较好的走线方式(√为合理的方式,×为不合理方式);

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4、差分串接阻容,测试点,上下拉电阻的摆放(√为合理的方式,×为不合理方式);

“”

5、由于管脚分布、过孔、以及走线空间等因素存在使得差分线长易不匹配,而线长一旦不匹配,时序会发生偏移,还会引入共模干扰,降低信号质量。所以,相应的要对差分对不匹配的情况作出补偿,使其线长匹配,长度差通常控制在5mil以内,补偿原则是哪里出现长度差补偿哪里;

“”

6、为了减少串扰,在空间允许的情况下,其他信号网络及地离差分线的间距至少20mil(20mil是经验值),覆地与差分线的距离过近将对差分线的阻抗产生影响;

“”

7、USB的输出电流是500mA,需注意VBUS及GND的线宽,若采用的1Oz的铜箔,线宽大于20mil即可满足载流要求,当然线宽越宽电源的完整性越好。

普通USB设备差分线信号线宽及线间距与整板信号线宽及线间距一致即可。然而当USB设备工作速度是480 Mbits/s,只做到以上几点是不够的,我们还需对差分信号进行阻抗控制,控制差分信号线的阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的.

因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。差分线阻抗一般控制在90(±10%)欧姆(具体值参照芯片手册指导),差分线阻抗与线宽W1、W2、T1成反比,与介电常数Er1成反比,与线间距S1成正比,与参考层的距离H1正比,如下图是差分线的截面图。

“”

下图为四层板的参考叠层,其中中间两层为参考层,参考层通常为GND或Power,并且差分线所对应的参考层必须完整,不能被分割,否则会导致差分线阻抗不连续。若是以图 2叠层设计四层板,通常设计时差分线采用4.5mil的线宽及5.5mil的线间距既可以满足差分阻抗90Ω。

然而4.5mil线宽及5.5mil线间距只是我们理论设计值,最终电路板厂依据要求的阻抗值并结合生产的实际情况和板材会对线宽线间距及到参考层的距离做适当的调整。

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以上所描述的布线规则是基于USB2.0设备,在USB布线过程中把握差分线路最短、紧耦合、等长、阻抗一致且注意好USB电源线的载流能力,掌握好以上原则USB设备运行基本没问题。

本文转载自:电子工程世界
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围观 440

作者: German Aguirre
汽车制造商继续把信息娱乐系统作为多媒体体验的延伸。 USB接口一直是信息娱乐架构的基本要素,因此制造商已让这种原本以消费者为中心的接口接受更严格的保护要求。其中需要防止组装、制造或维护过程中车辆用蓄电池发生短路。例如,当将机头单元连到不同连接模块的长线线束受损,可让所有引脚短路至12V汽车蓄电池。其他潜在的失效机理包括使用不符合要求的适配器、电缆或充电器;USB连接器或电缆的力学扭曲;或任何进入连接器,并将数据线短接到VBUS的碎屑。

在由两部分组成的系列的第一部分,我将举例说明,防止USB电路电池短路故障的最佳途径。在我的下篇博文中,我将延伸说明优化您的汽车USB防电池短路设计的最佳途径。

当设计防电池短路USB 时,始终牢记三个主要方面:
• 保护解决方案的带宽。
• 钳位电压和响应时间行为。
• 过流和短对地特性。

过去,不可能找到一个可解决所有三个方面的USB 2.0防电池短路解决方案,但TI新型防电池短路保护设备的TPD3S714-Q1系列可以帮助解决这些常见问题。

带宽
信号完整性是设计工程师在汽车USB应用中遇到的最大挑战之一。由于USB 2.0支持高达480Mbps的数据传输速率,添加到电线的任何少量电容都会扭曲信号,造成数据传输失败。这会让设计师在寻找解决方案时的任务变得复杂,不仅要防止灵敏电子产品受到高电压和电流尖峰影响,同时要保持最佳的信号完整性。

TPD3S714-Q1是用于USB连接器的VBUS和数据线防电池短路、短路和静电放电(ESD)的单芯片解决方案。集成的数据交换为最小的信号衰减提供了两倍高的带宽,同时提供高达18V的防电池短路保护。图1是插入损耗图,突出采用1GHz-3dB带宽的高速数据交换。

“图1:TPD3S714-Q1数据交换差动带宽”

图1:TPD3S714-Q1数据交换差动带宽

您可使用眼图分析线路电容对带宽的影响。测量最小和最大电压电平以及抖动可能暴露USB数据线传输中的任何问题。高1GHz带宽允许USB 2.0高速应用。高于720MHz带宽的少量裕量也有助于在汽车USB环境中维持常见的带长系留索的清晰USB 2.0眼图。图2为USB 2.0眼图的一个示例。

“图2:TPD3S714-Q1的USB

图2:TPD3S714-Q1的USB 2.0眼图

钳位电压和响应时间
尽管选择保护解决方案时,带宽是需记住的最重要的特征之一,但您还必须确保钳位电压足够低,以保护下游电路出现任何电池短路或ESD事件。此外,您应设计具有快速关断时间的过电压场效应晶体管(FET),以迅速保护上游片上系统(SoC)免受有害电压和电流尖峰(SoC)的影响。

防电池短路保护将系统内部电路与在VBUS、D +和D-引脚处出现的任何过压条件隔离开。这些引脚上,TPD3S714-Q1可为热插拔和DC事件处理高达18V的过电压。过压保护电路提供业内最可靠的防电池短路隔离,帮助提高系统级的保护。图3所示为短路至18V故障期间其5V钳位电压,强调了数据通道上200ns的超快响应时间。

“图3:TPD3S714-Q1数据转换短路至18V响应波形”

图3:TPD3S714-Q1数据转换短路至18V响应波形

过流和短对地

选择不良的过电流保护电路会障碍产品快速上市。过流事件期间,流经系统侧的显著电流量可能导致上游5V轨掉电或断电,并潜在降低或重置多个连接到共享导轨的集成电路(IC)。过电流保护装置的目的是限制比如一个短对地的情形下USB端口可汲取的电流量。此外,USB 2.0规范要求在任何USB供电设计中使用过电流保护装置。

图4描述一个系统电压降到小于200mV的短对地事件,保持共享5V轨的稳定,并恰当隔离故障。TPD3S714-Q1集成了一个精确的高达0.5A的电流限制负荷开关,自动限制过流事件期间的电流。内部FET开关阻止过量电流流经上游设备,防止系统侧复位。

“图4:TPD3S714-Q1

图4:TPD3S714-Q1 VBUS短对地响应波形

记住——寻找一个USB 2.0防电池短路解决方案时,始终牢记保护设备的带宽、钳位电压和响应时间,以及过流和短对地特性。考虑到这些关键领域可让原始设备制造商OEM更容易实现目标并缩短上市时间。

围观 10

文.Anwar Sadat/Javed Ahmad/Kevin M. Jones

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

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

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。

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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。

(本文作者皆任职于德州仪器)

来源:新通讯

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