USB Type-C标准全面解读

shuszhao

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ABIResearch认为，我们已经到达了USB Type-C商用的临界点；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9mm，高度仅为3.5mm，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。
无法拒绝的易用性
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，它的额定耐用性增加至10,000次插拔，相比以往版本的1,500次插拔有了大幅增加。

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20V，电流额定值也有所增加，总额定值达到5A，通过单个USB-C连接可提供高达100W的功率传输。此外，每个数据引脚对可以管理最高10Gbps的数据传输速率，这意味着该连接器的总传输能力达到20Gbps。
更快的数据和更高的功率传输
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100W功率传输能力
USB 3.1第2代利用一组数据通道，定义了10Gbps的传输速率
类似地，USB3.2控制两组10 Gbps数据通道，维持高达20Gbps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USB3.1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USBPD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USBPD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。

表 1：USB功率输送（USBPD）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。
高质量USB-C连接器的选择
很显然，并非所有USB-C连接器或电缆组件都是“生而平等”的，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 Inc.）