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USB Type-C标准最全面的解读

关键词:USB typeC USB接口 连接器 时间:2019-03-14 14:56:15       来源:网络

USB Type-C(USB-C)是最新的USB接口标准,其在各个领域的应用正在迅速普及。本文介绍了USB-C连接器的性能特点,以及与USB-C相关的USB PD和USB 3.1第2代等相关功率和数据传输规范的概念和特性,同时以CUI公司的USB-C接口产品为例,介绍了USB接口产品的选型,有助于开发者深入了解USB-C的标准,正确选择高质量的USB-C接口或线缆组件。

  “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”——这就是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

  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

  本文总结

  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USB3.1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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