专用连接器提供汽车级 USB-C 连接方案

通用串行总线 (USB) Type-C 连接器规范并简化了大众化消费类设备之间的连接。将 USB-C 用于信息娱乐等与安全无关的高速功能，也能让汽车系统设计人员从中受益。然而，为消费应用定制的传统 USB-C 连接器并不具备汽车环境所需的坚固性、可靠性和安全性。

本文简要介绍 USB-C 以及设计人员在将 USB-C 集成到汽车设计中时面临的挑战，然后介绍设计人员可用来攻克这些挑战的 Hirose USB-C 连接器。

USB 的演进过程

从最初基本的 Type-A 外形 USB 开始，USB 连接器在消费、测试仪器甚至工业应用中取代了许多传统总线，如并行端口和 RS-232。这得益于其即插即用带来的易用性、低成本、小尺寸、快速简单的插拔、处理电源和数字信号的能力以及广泛的供应商支持。增强型 USB-C 版本实现了物理尺寸更小、速度更快、电源处理能力更强，且可以正反插拔。

USB-C 连接器的巨大成功使其成为所有新款智能手机和小型消费设备必须执行的统一标准，从而催生了极高的销量和更强大的设备互操作性。标准 USB-C 的尺寸为 8.4 mm × 2.6 mm，提供 24 个引脚。连接器本体及引脚采用对称设计（正反盲插），无需配备防呆键位。这种连接器还可用于同时传输数据和充电，其扩展功能支持 DisplayPort Alt 模式以及 HDMI 适配器和桥接器，可用于传输音频和视频数据。

这些功能对汽车娱乐系统的设计者大有裨益。在这方面，与其他连接方式相比，USB-C 还有可能降低成本、提高便利性和减轻重量，同时还构建了一个广泛的现有 USB 资源生态系统。

虽然 USB-C 在汽车应用领域前景广阔，但设计人员仍必须应对诸多难题，包括剧烈振动和温度波动、高电磁干扰 (EMI) 以及 USB 电缆和连接器不匹配导致的潜在危险故障。

将 USB-C 引入汽车领域

为满足对合适连接器的需求，Hirose 推出了满足汽车环境独特要求的 AU1 系列 USB-C 连接器。该系列连接器架起了内外设备互连的桥梁，支持 USB 3.2 Gen2、DisplayPort 1.4 和 HDMI 等标准。该系列器件基于现有的 Hirose CX 系列构建并能与其无缝运行（图 1）。

图 1：AU1 系列汽车级 USB-C 连接器（下）采用 CX 系列（上）作为构件。(图片来源：Hirose）

这一创新组合实现了：1) 高达 20 Gb/s 的稳定高速数据传输速率（符合 USB 3.2 Gen 2×2 标准），2) 240 W 功率水平（符合 USB 电力传输 3.1 扩展功率范围标准：48 V、5 A），3) 覆盖全车信息娱乐系统的可靠连接；因此能够支持先进功能并实现无缝系统集成。

AU1 系列连接器插接牢固，抗震耐热，能在苛刻环境中保持可靠的性能。通过这种方式，该系列能够在比最初设计时更具挑战性的环境中使用这种流行的连接器类型。

该系列连接器组件支持直式和直角方向安装（图 2），方便设计人员在严格受限的汽车环境中灵活布线。

图 2：AU1 系列连接器支持直式和直角布局；演示板显示了连接器的使用情况。(图片来源：Hirose）

确保安全、准确和正确的插接

这些连接器具有两种独特设计，即连接器位置保险 (CPA) 装置和防呆键位。CPACPA 机构可确保插接可靠、准确。其手指操作式闩锁结构（图 3）可确保机械配对可靠并发出咔嗒声，使用户能确认闩锁动作成功。

图 3：CPA 机构可确保配对连接器完全啮合，然后锁定并固定到位，并在人为使其脱开前保持配接状态。(图片来源：Hirose）

在操作过程中，CPA 机构在完成配接之前不能移动。插头完全插入后，插座会向下推动 CPA 机构，使其进入锁定位置，表明插头已按预期插入。要解除配接，拉动 CPA 机构，松开辅助锁；脱开时可听到咔嗒声。

如果存在任何轴向或径向偏差，配接的两个部分将不会发出咔嗒声，提醒用户配接不正确。这些连接器的额定配接寿命超过 10,000 次，远超出汽车环境中的预期使用寿命。

防呆键位有助于防止将错误电缆与目标接口连接。如前所述，消费类 USB-C 电缆的方便特性之一是可翻转。这也意味着它们没有防呆键位或物理识别方法，即无需识别哪个插头最终连接哪个插座。在“只需抓起一根电缆”即可插拔的消费应用领域，无防呆键位是一大优势。然而，汽车应用更可能是“插上就不管了”的情形，而且在安装密集的汽车电缆线束时存在接线错误的风险。在这些情况下，这种错误配接可能会导致因链接无法运行而产生挫败感，也可能会损坏外围设备，并给系统和用户带来潜在危险。

为防止错误接线，AU1 系列汽车级 USB-C 连接器支持两种物理干扰键位代码：标准代码（黑色）和 "A 键位"代码（灰色/原色）（图 4）。这两种键位布局有助于确保在两根相邻电缆和连接器的情况下，不会出现配接错误。不同的颜色也有助于识别这两个键位代码。

图 4：用户可以使用两种机械键位布局中的某一种，以尽量减少电缆连接错误；带有标准键位的连接器为黑色，而带有“A 键位”的连接器为灰色（公）/原色（母）。(图片来源：Hirose）

标准和电气性能

具体数字定义了这些 Hirose 连接器的环境适应性和电气性能。在环境适应性方面，这些连接器的工作温度范围为 -40°C 至 +105°C。此外，这些连接器还防水防尘；根据连接器类型的不同，可达到 IP54、IP68 或 IP69K 级防护性能。IP69K 级是三种防尘防水标准中要求最严格的。

这些连接器符合美国汽车研究委员会 (USCAR)-2 和 USCAR-30 标准，可保证可靠性。USCAR-2 是关于汽车级电气连接器系统的性能标准，概述了在公路车辆的低压应用中对端子、连接器和组件的要求。USCAR-30 是关于车载 USB 连接系统的性能规范，涵盖了对 USB 连接器、电缆以及消费外设与车载 USB 主机端之间电气连接的各项要求。

在电气方面，其电源引脚（A4/A9/B4/B9 (VBUS)）的额定电流为 1.25 A，符合 USB-C 规范，而非电源引脚的额定电流为 0.25 A，且均在 20 V_AC 和 V_DC 额定电压下。初始接触电阻最大为 40 mΩ，经过一系列标准规定的应力测试后，接触电阻会略有上升，但不会超过 50 mΩ。

指定和装配 AU1 连接器

如标准消费类 AC 线路插头等简单连接器，绝大多数是出厂即完整封装，开箱即用，无需用户额外指定组件。然而，像 AU1 连接器这样精密复杂的互连器件由许多独立部件组成（图 5）。设计人员可以定制其中的一些部件，以满足具体的应用要求。

图 5：完整的 AU1 连接器组件包括 1) USB-C 插头；2) 电路板；3) 导线固定架；4) 电缆；5) 屏蔽罩 1；6) 屏蔽罩 2；7) 一次注塑体；8) 二次注塑体；9) 外壳和 CPA；10) 固定器。(图片来源：Hirose）

图 6 显示了用户可以指定的一些组件，其中包括（上排，从左到右）：

• AU1MS-24S-SLDA(805) 连接器屏蔽罩
• AU1MS-24RS(805) 连接器固定器
• AU1MS-24S-HU/C(805) 插头的闩锁外壳和 CPA，配有黑色标准键位（或 AU1MSA-24S-HU/C(805) 插头的闩锁外壳和 CPA，配有灰色 A 键位），以及固定器、屏蔽外罩和插头单元
• CX60-24S1-UNIT 内部跨座式插头连接器，也可单独销售，仪满足设计人员对插头单元的需求

插头只是连接器的一部分，还必须有与之匹配的插座。Hirose USB-C 连接器包括两个版本（图 6，下，从左到右）：

• AU1FS-24P(805) 通孔直式 USB-C 插座连接器，用于连接印刷电路板 (pc 板)
• AU1FRA-24P(805) 直角插座连接器

图 6：可由用户指定的一些连接器组件包括（上，从左到右）AU1MS-24S-SLDA(805) 连接器屏蔽罩、AU1MS-24RS(805) 连接器固定器、AU1MS-24S-HU/C(805) 插头闩锁外壳和 CPA（带黑色标准键位），以及 CX60-24S1-UNIT 跨座式安装插头连接器；插座选项包括（下，从左到右）AU1FS-24P(805) 通孔直式 USB-C 插座和 AU1FRA-24P(805) 直角插座。(图片来源：Hirose）

结语

USB-C 连接器在可用性、速度和功率处理方面具有非常令人满意的性能属性。然而，面向消费者的基本连接器在机械方面并不适合汽车设计。AU1 系列连接器以 Hirose 成熟的 CX 系列为基础，打造出一款坚固耐用的高性能 Type-C 连接器，可用于汽车应用且符合相关行业规范和标准。