USB Type C和 USB 3.1第2代——理顺连接

2018年2月13日 作者:Bruce Rose

USB Type C和 USB 3.1第2代——理顺连接

USB标准历时多年,并且随着技术需求和能力的提高不断演变和改进。USB开发者论坛 (USB-IF) 近期发布了关于USB Type C连接器的规格和USB3.1第2代信号标准的规格(也称为SuperSpeed+)。从下表中可以看到USB信号标准从USB1.0开始,一直到USB3.1第2代的发展进程,以及各自推出的各种模式和数据传输速率。USB Type C连接器还针对以往的连接器标准作出众多功能改善。工程师们了解了这些改善项目,就能够正确使用这一连接器及各种信号规格,从而增强其设计的性能。

发布名称 发布日期 模式 简称 总数据速率
USB 1.0 1996年1月 低速 LS 1.5 Mbit/s (187.5 KB/s)
全速 FS 12 Mbit/s (1.5 MB/s)
USB 1.1 1998年1月 解决了USB1.0常见问题。数据速率保持不变。
USB 2.0 2000年4月 高速(也称Hi-Speed) HS 480 Mbit/s (60 MB/s)
USB 3.0* 2008年11月 超速 SS 5 Gbit/s (625 MB/s)
USB 3.1第2代 2013年7月 超速+ SS+ 10 Gbit/s (1.25 GB/s)
*USB 3.0如今通常被称为USB 3.1第1代

在USB Type C与USB 3.1第2代之间存在的误解

在讨论USB Type C连接器和USB 3.1第2代之间的关系时,经常发生混淆。USB Type C标准只定义了物理连接器,而USB 3.1第2代标准仅适用于电信号。尽管大多数系统设计人员都会选择通过USB Type C连接器和电缆收发USB 3.1第2代信号,但仍可以使用不符合USB Type C规格的连接器收发符合USB 3.1第2代标准的信号。产品设计人员如果希望将系统与其他系统保持隔离,或希望确保使用自有硬件,则可以使用USB3.1第2代信号标准和自有连接器执行配置。

可以通过类似方式,使用USB Type C连接器收发不符合USB信号标准的信号。这一执行方式的实现得益于供应广泛且经济实惠的USB Type C连接器和电缆,但也会使用户面临风险,即把不符合USB3.1第2代标准的自有系统连接到符合该标准的系统,从而损坏其中一个系统,或同时损坏这两个系统。

还要注意,USB标准还允许采用USB Type C连接器和电缆传输以往(USB 3.1第2代之前)的USB信号传输配置。这些配置不会对系统造成损坏,但会在系统中产生适当的功率和数据传输,协商通用通信和功率配置。

USB Type C的优势

较之以往历代连接器,USB Type C连接器的设计具有一众优势。改善之处包括缩小封装尺寸、增加导体数量、提高额定电压、提高额定电流和增加信号带宽。尺寸更小的USB Type C插头和插座能够更为广泛地用于注重空间的应用领域。此外,插头和插座的连接既可以正面朝上也可以反面朝上,从而能够更加快速地将插头插入插座。

USB Type A、Type B和Type C导体数量比较图表
比较USB Type A、B和C连接器的导体

USB Type A和Type B连接器各自规定了四到五个导体,而USB Type C连接器则使用24个触点,并且可保障10,000次插拔,较之普通USB Type A连接器的1,500次插接,增强了耐用性。USB Type C连接器的电源和接地触点各有四个,总计能够承载5 A电流。除了具有更高的电流额定值以外,USB Type C连接器的电源和接地引脚之间还具有高达20 V的额定电压,从而能够实现100 W的功率传输。USB功率传输(PD)规格提供了关于利用USB Type C连接器执行更高级别功率传输的信息。在注意USB Type C和USB3.1第2代连接器是两种单独定义的标准的同时,还务必要注意,USB Type C和USB PD表现出相同的关系。尽管USB Type C连接器的设计支持USB PD标准,但是该器件的主控制器和电缆也必须经过配置,方可支持该标准。

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

最后,USB Type C连接器支持在每两对数据传输引脚之间进行10 Gbps的数据传输。在按照USB-IF于2017年9月22日公布的USB 3.2标准的规定,同时使用这两对引脚时,这一带宽支持能够进一步实现20 Gbps的数据传输速率。

优化USB 3.1第2代

正如前文所述,USB 3.1第2代规格规定了一套数据和功率信号,以及这些信号的特性。然而,该规格没有规定与信号一同使用的电缆。还应注意的是,用于传输USB 3.1第2代信号的电缆必需具有充足的电流、电压和信号完整性,才能处理并且不削弱USB 3.1第2代信号。尽管USB 3.1第2代规格支持10 Gbps通信速率,而且USB Type C连接器用于在该等速率或更高速率时实现信号完整性,但是电缆的长度和电缆构造的质量均可能成为限制通信带宽的因素。

USB Type C安装配置

提供两种型号的USB Type C插座,便于工程师选择将连接器安装到PCB表面(SMT)还是PCB的布线空间中(中部安装)。SMT型号的插座要求在产品设计中确定PCB和连接器的高度。中部安装型号的插座能够实现更为紧凑的设计,却消除了在连接器下方留下PCB痕迹的可能性。

USB SMT和中部安装配置示意图
USB SMT和中部安装配置

结论

USB标准已在各类信号、连接器和电缆中得以广泛采用。近期发布的USB3.1第2代和USB Type C连接器规格能够实现标准化的高速和大功率信号传输。CUI符合该规格的 USB Type C插头和插座设计用于支持USB 3.1第2代数据传输速率,并且还能随着标准的不断变化,支持超出目前10 Gbps限制的通信。

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Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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