USB Type-C爆发在即你准备好了吗

半导体行业观察 发表于 2018-03-17 11:00:55 收藏 已收藏
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USB Type-C爆发在即你准备好了吗

半导体行业观察 发表于 2018-03-17 11:00:55 收藏

USB Type-C已不再是全新话题,这个USB介面协议,与常见用于笔记型电脑的Type-A或Android手机的Micro-B之间最大的差异,在于USB Type-C支援正反插的设计。藉由24根脚位左上与右下对称的设计,达到正插与反插都有一半的脚位可正常动作。

Type-C使用率逐渐普及

最简单的USB Type-C介面,支援USB 2.0(表1中的D+与D-),将高速讯号对加入,支援USB 3.1 Gen1(5Gbps)或USB 3.1 Gen2(10Gbps)的传输速度(表1中的Tx+-与Rx+-)。

此外,USB Type-C可透过Power Delivery(以下简称PD)协议,将供电瓦数由原本的5V/3A向上提升至20V/5A。同时,PD 2.0之后的版本加入了Alternative Mode(以下简称Alt-Mode),透过Alt-Mode可重新定义表1的脚位定义,使USB Type-C的接头除了传递资料、电源,还能传递影像资讯。

USB Type-C可兼顾资料、电源与影像的传输,因此,我们可从数款新发售的旗舰款手机、或最新的笔记型电脑发现,越来越多装置采用USB Type-C的介面,成为一种趋势。以下文章将就2017年新发布的USB Type-C规范,分为资料、电源与影像三个部分进行介绍。

USB 3.2传输速率增至20Gbps

USB 3.2于2017年9月公布版本1.0,USB 3.2将同时运用USB Type-C的两对高速讯号线,使传输速度可达到USB 3.1 Gen2(10Gbps)的2倍(20Gbps);过去,USB 3.1 Gen1或USB 3.1 Gen2只使用到一对高速讯号线,可于旧有USB Type-A介面传输,而新的USB 3.2需要同时用到两对高速讯号,因此只能适用于USB Type-C介面,可说是专为USB Type-C量身订做的规格提升。

USB 3.2主要的特点在于,传输速度翻倍达到20Gbps,并可以让USB 3.1 Gen2的线长达到2公尺。在USB Type-C的规范之中,两边都是USB Type-C介面的标准线材里传输,USB 3.1 Gen2速度的线材长度要小于1公尺,而传输USB 3.1 Gen1速度的线材长度是小于2公尺。

透过USB 3.2的技术,让5Gbps的速度同时走在两对高速讯号,因此可让10Gbps的传输速度在2公尺内传递。而Hub的应用,随着对上的传输频宽倍增,Hub的每一个下行口也有机会达到全载速度。

PPS规范满足快充需求接着探讨与电源相关的PPS

(Programmable Power Supply)。泰尔实验室于2017年12月12日在东莞松山湖,举办快速充电技术标准与应用研讨会。

会中正式颁布中华人民共和国通讯行业标准:「移动通讯终端快速充电技术要求和测试方法」。其中,明订当充电器与手机端皆为USB Type-C介面时,唯一的充电协议应为PD,而PPS也是因应目前手机的快充需求而开发规格。

过去,人们为了缩短充电速度,藉由提高充电器的输出电压,以增加进入手机的充电瓦数。然而,因为手机内的降压线路将高压降转为低压的效率不高,导致手机充电有发热情形。

为解决此问题,希望能将手机内的降压线路移除,使充电器的输出直接接到手机电池端,输出可随电池电压的变动而调整,因此有PPS的定义。

PPS如同标准固定输出的PD,定义出四种标准电压:5V(可调3~5.9V)、9V(可调3~11V)、15V(可调3~16V)、20V(可调3~21V ),在每一组可调的电压范围内,受电方可依据供电的电流状况对电源供应器作最小20mV电压步径或50mA电流步径的调整。

如果再配合芯片厂商最新开发出用于设备端不同倍数的Voltage Scaler,以3A的线材即可对电池作6A、9A或12A的大电流充电。

以USB芯片供应商威锋电子为例,该公司旗下专为充电器使用的USB Type-C PD DFP芯片VP300,本身支援PD 3.0和QC3.0协议,芯片内部整合TL431,可直接透过光耦元件反馈给一次侧AC-DC的电源控制芯片。

除针对AC-DC所设计的TL431反馈回路,VP300同时整合I2C与FB参考电压的回馈,可针对不同DC-DC的需求进行控制。内建5V LDO毋须外接电源线路,可让Vconn供应70mW的电源给E-Marker。

另外,在USB Type-C的1.3版本,新增Vconn Power Device(VPD)规范,VPD装置不仅可接受由原本的Vbus供电,也能接受由Vconn提供的最低3V电压。最低3V的目的,在于移动式装置内常放置一颗锂电池,单颗锂电池的最低放电电压一般设定在3V。

以前,透过USB接口的Vbus供电时,供电端须将电池电压透过升压线路升到5V,而受电端会将5V透过降压芯片降到3.3V或1.8V,给内部其他芯片使用,造成两边都进行电源转换而损失效能。

若能透过Vconn直接将电池的电压有效供应,毋需供电方或受电方放置其他的电源转换芯片,就可以大幅提升整体电源的转换效率。

至于前面所提到的E-Marker,放在两头都是USB Type-C的线材之中,就像是线材的身分证,用以存储线材的资料,其包含可负载的电流(3A或5A) 、USB速度(USB 2.0或USB 3.1)、线材的耐压等,而E-Marker所需的电源,是由供电方从Vconn之中所提供。

另一方面,2017年9月于温哥华所举办的USB开发者大会上,也有针对USB多口充的多口充进行介绍。多口充分为Assured Capacity Ports与Shared Capacity Ports两个类型(图1)。

图1 USB多口充定义

图1所举的例子皆是总瓦数为60W的多埠口充电器,左边的多埠口充电器类型是Assured Capacity,3个USB Type-C口分别可提供30W/15W/15W,每个USB Type-C埠口都可视为单一的充电口,与其他口的负载无关。

因此,每口的输出要能满足其标志的供应瓦数,而USB协会目前有针对USB Type-C电源供应器提供认证,其标志是针对单一个USB Type-C进行认证,可看到这个多口充获得30W认证。

图1右边的多口充电器类型则是Shared Capacity。此案例中单一口可达到27W的最大瓦数输出,但三个口加总的输出瓦数不可超过60W,而认证是针对单口进行认证,因此这个充电器是得到27W的认证。

接下来,以图2说明单一口最大27W,总瓦数60W Shared Capacity的动作原理。当第一个口被用掉24W后,60W剩下的瓦数是36W,仍超过每一口最大27W的需求,因此其余两口各单口最大仍可供应27W,接着第二个口用掉15W后剩余的瓦数为21W,最后一口所能供应的最大瓦数仅剩21W以满足总瓦数60W的需求。

图2 Shared Capacity原理

若将同样的三个装置移到图1左边Assured Capacity的电源,会发现只有15W这个装置确保可获得足够瓦数,而另外的24W或21W的装置,会因为其中一个必须插入15W的口,导致瓦数不足而只能有15W充电。如果30W的供电口被15W装置占住,将导致21W与24W的装置都只能得到15W供电。

2017年7月,Display Port Alt-Mode 1.0b(DP Alt-Mode)仅针对既有的规格做了微幅更新,移除用GEN2_BR传递DisplayPort讯号的Pin Assignment A与B,在终端应用上,不只是笔记型电脑,也不能发现手机厂开始利用DP Alt-Mode的应用产品(图3)。

图3 DP Alt-Mode示意图

Type-C结合替代模式影像传输更便利

2017年主要旗舰型手机例如三星(Samsung) S8/Note 8、华为(Huawei) Mate10、HTC U11等都支援DP Alt-Mode,Samsung与Huawei并推出可透过手机USB Type-C转出HDMI的配件。

手机经由USB Type-C将影像讯号投放至大萤幕,大萤幕上的画面不仅仅是将手机上看到的画面放大,更经由重新设计,无论对接滑鼠的左右键控制、应用视窗的拖放等,都接近我们以往在电脑或笔电的Windows使用经验。

经由这样的转接,大大扩展了手机因萤幕大小限制的应用,原本在手机端才能进行的追剧、玩游戏或回覆邮件都因为大萤幕的拓展而得到更好的使用体验。

我们认为,这样的应用在未来会越来越广泛,无论家庭娱乐或出差办公。可想像未来商务人士出差只需要携带一支手机,在客户端能透过USB Type-C介面将简报资料投影至大萤幕进行介绍;而回到饭店,只要接入饭店所附的Type-C接头,就可以用饭店电视进行办公或观看戏剧,同时还可透过USB Type-C对手机进行充电。

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