USB Type-C™、USB PD 和 USB 3.1 第 2 代:速度和功率的新标准

作者:Bruce Rose,CUI Inc.

“更快,更高,更强”是我们耳熟能详的奥林匹克格言,如果现在将这句格言用到电子行业,那就应该是“更快,更小,更易用”:USB 连接新标准的呐喊。

您可能已经看到,目前在售的新一代计算产品中广泛采用了最新的 USB Type-C (USB-C™) 端口,这种趋势有望在未来进一步强化,因为 USB-C 具备通过单一的有线连接来传输数据、电力甚至音频的独特能力。市场分析公司 ABI Research 认为,我们已经到达了 USB Type-C 采用的临界点;到 2021 年,配备这种 USB 连接器的智能手机全球出货量估计将达到 8.3 亿部。这种连接器的宽度仅为 9 mm,高度仅为 3.5 mm,比前几代连接器要小巧得多,它让设备制造商能够开发出体积更小的设备。它的问世可谓恰逢其时,完美地迎合了新兴产品组的需求,例如家庭自动化以及物联网设备,包括能够与这种更小、更简洁的最新连接器封装完美搭配的智能传感器。

易于使用

针对 USB-C 应用的电缆能够从任何一端插入,满足笔记本电脑等设备的电源需求,使得用户无需携带多根不同用途的线缆。

这种通用性源自于连接器内部更加复杂的结构(图 1)。首先,它有更多的导线。USB Type-A 和 Type-B 连接器需要四根或五根导线,与它们不同,USB-C 包括 24 个触头,允许双向插入,并支持四个电源和接地对,以及两个信号对。此外,它的额定耐久性增加至 10,000 次插入,相比以往版本的 1,500 次插入有了大幅增加。

USB-C 连接器规格图片

图 1:USB-C 连接器规格比早期的标准更加严格(图片来源:CUI Inc.)

USB-C 的电源和接地对的额定电压高达 20 V,电流额定值也有所增加,总额定值达到 5 A,通过单个 USB-C 连接可提供高达 100 W 的功率传输。此外,每个数据引脚对可以管理最高 10 Gbps 的数据传输速率,这意味着该连接器的总传输能力达到 20 Gbps。

最新的 USB-IF 数据和功率规格

USB-IF 的最新数据和功率规格迫使我们必须大幅提升 USB-C 的传输能力,特别是在 USB 功率输送 (USB PD)、USB 3.1 第 2 代和近期敲定的 USB 3.2 高速数据规格中:

  • USB PD 利用所有四个电源和接地对,充分发挥了 USB-C 的 100 W 功率传输能力
  • USB 3.1 第 2 代利用一组数据通道,定义了 10 Gbps 的传输速率
  • 类似地,USB 3.2 控制两组 10 Gbps 数据通道,维持高达 20 Gbps 的传输速率

从概念上说,将 USB-C 标准(仅定义物理连接)与 USB PD 和高速数据规格(包括 USB 3.1 第 1 代 (SuperSpeed) 和 USB 3.1 第 2 代 (SuperSpeed +) 以及 USB 3.2)区分开非常重要。

例如,虽然 USB-C 连接器的设计支持 USB PD 标准,但要协商和管理对互连设备的功率输送,仍必须有兼容 USB PD 的主机控制器。此外,还必须对电缆进行配置才能支持该标准。

USB PD 不仅仅是增加了功率!它还有利于双向功率输送,可大幅提高用户设备充电和供电的灵活性。在此基础上,由于 USB PD 能够通过 VBUS 连接进行功率协商,而不是使用数据连接,因而能够同时传输功率和数据流。表 1 显示了 USB 输送能力在最近几代产品中的提升过程。

规格 最大功率 最大电压 最大电流
USB 2.0 2.5 W 5 V 500 mA
USB 3.0 和 3.1 4.5 W 5 V 900 mA
USB BC 1.2 7.5 W 5 V 1.5 mA
USB Type-C 1.2 15 W 5 V 3 A
USB PD 3.0 100 W 20 V 5 A

表 1:USB 功率输送规格

在高速数据规格方面,USB 3.1 第 2 代定义了数据和功率信号,但没有指定物理连接。这使得我们能够使用传统的 Type-A 或 Type-B 连接器和电缆来连接 USB 3.1 第 2 代设备并达到 10 Gbps 的数据传输速率,只要它们具备足够的电流、电压和信号完整性特征。同样,我们只需使用简单的硬件适配器,便可使用 USB-C 连接器提供 USB 2.0 等传统连接标准。

进行连接

很显然,并非所有 USB-C 连接器或电缆组件都是“生而平等”,优质产品能够提供更出色的性能,在更长的电缆上展示更可靠的通信能力。

除了考虑为未来产品选择的材料和 USB-C 连接器的质量之外,设计人员还可在两种版本的 Type-C 插座之间进行选择,请参见图 2。传统上,标准 SMT 安装插座位于 PCB 的上面。但在这种情况下,总装配高度为 PCB 厚度与连接器高度之和。或者,中间安装式连接器可以安装到 PCB 的凹陷处;虽然这样可减小总装配高度,但中间安装式连接器不允许出现信号线在连接器下方走线的情况。

SMT 和中间安装式 USB-C 连接器图片

图 2:SMT 和中间安装式 USB-C 连接器(图片来源:CUI Inc.)

总结

在消费类电子产品市场中,USB Type-C 连接器的应用正在迅速普及。为了满足这种持续增加的需求,电子元件制造商 CUI 提供了一系列高质量的 USB Type-C 插头和插座,包括 SMT 和中间安装类型。这些连接器的设计目的是达到 USB 3.1 第 2 代规格中定义的通信速率,同时满足设计人员当前和未来的需求。

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关于此作者

Bruce Rose,CUI Inc.

本文作者为 CUI Inc 的首席应用工程师 Bruce Rose。