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USB Type-C™、USB PD 和 USB 3.1 第 2 代：速度和功率的新标准
2018-12-18
“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。
图 1：USB-C 连接器规格比早期标准更加严格（图片来源：CUI Devices。）
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。
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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。
图 2：SMT 和中间安装式 USB-C 连接器（图片来源：CUI Devices）。
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，电子元器件制造商 CUI devices 推出一系列高质量 USB Type-C 插头和插座，包括 SMT 和中间安装类型。这些连接器的设计旨在达到 USB 3.1 第 2 代规格中定义的通信速率，同时满足设计人员的当前和未来需求。CUI Devices 还提供具有多种插头和插座选项的 USB 电缆组件。
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