如何使用 USB-C 简化连接性

作者：Art Pini

个人电脑、笔记本电脑和平板电脑的尺寸越来越小，几乎没有空间留给接口和电源连接器了。与此同时，数据速率却越来越快，数据、音频和视频接口标准的数量也越来越多，每种标准都有自己独特的接口连接器。然而，用户依然对简易性和灵活性青睐有加。只要采用 USB Type-C™ (USB-C) 物理连接器，这些问题便可迎刃而解。

本文简要讨论了现代连接性要求以及如何使用 USB-C 满足这些要求。文中以 [Tripp Lite by Eaton]的 USB-C 坞站、连接器和电缆为例，展示了如何使用这些产品来简化设备连接性。

USB 标准

USB 接口标准最初是一种外设总线，用于连接计算机接口设备，例如键盘、鼠标和可移动存储器。多年来，该标准已发展成一系列标准，成为电脑、外设和手机的主要接口。此外，标准中还增加了功率输送 (PD)，并支持各种协议的隧道传输，例如 DisplayPort (DP)、以太网和高清多媒体接口 (HDMI)。最新版本的 USB4 支持 40 Gbps 的数据速率和高达 240 W 的 PD（修订版 3.1）。该版本仍保持着与 USB 3.2 和 USB 2.0 等早期标准版本的向后兼容性。

那些使用 USB 的连接器已经从最初的 USB-A 和 USB-B 连接器及其变体发展到目前的 USB-C 连接器。USB 3.2 第 2 代支持高达 10 Gbps 的数据传输，这是最后一种允许使用旧版 USB-A 和 USB-B 连接器的 USB 标准。USB 3.2 第 2x2 代支持 20 Gbps 的数据速率，并且需要使用 USB-C 连接器，USB4 也是如此。

USB-C 连接器

USB-C 等 USB 物理连接器有别于 USB4 等 USB 接口标准。USB 连接器由插头和插座组成，其规格由 USB 开发者论坛 (USB-IF) 单独指定。USB-C 连接器的吞吐率和功率都很小，仅比 USB-A 微型连接器稍大一点，因此适用于小型设备。

USB-C 连接器采用 24 个引脚，其排列方式允许在任一方向与匹配触头配接，因此连接器可正反两插。通过 USB-C 连接器的信号引脚分配，可了解 USB 标准的功率、数据和控制功能（图 1）。

图 1：图示为 USB-C 连接器信号引脚分配；可在任一方向与匹配触头配接，因此连接器可正反两插。（图片来源：Tripp Lite by Eaton）

USB PD 是一种交互式功率输送规格，可让设备通过 VBUS 引脚和接地引脚协商供电、受电（负载）和所供应的功率水平。其中包含四个 VBUS 电源触头和四个接地触头。最大功率水平由设备使用的 USB 标准规定，并符合 USB PD 规格。根据 USB PD，电源和负载设备之间的电源合约是使用通道配置 (CCx) 线路协商达成的。

CCx 线路可用于检测连接方向和通道配置。此外，这些线路还可用于电源控制以及与 USB PD 的信号传输。根据 USB PD，当供电电压为 48 V 且电流水平为 5 A 时，最大功率水平可达 240 W。虽然所有 USB-C 电缆都包含 CCx 线路并支持 USB PD，但此类电缆可能不支持 USB PD 中规定的全部电压和电流范围。用户应参考电缆规格书来了解受支持的功率水平。

专用的 D+ 和 D- 线路仍然与旧版 USB 2.0 标准的兼容性，旧版的数据速率低于目前的 USB 版本。

蓝色突出显示的引脚包括四个差分信号对，形成了两个支持 SuperSpeed USB 的数据通道。USB 3.2 第 2x1 代支持 10 Gbps 的数据速率，USB 3.2 第 2x2 代支持 20 Gbps 的数据速率，而 USB4 第 3x2 代则支持 40 Gbps 的数据速率。

边带使用（SBU1 和 SBU2）线路是 USB-C 规格支持的交替媒体模式中使用的辅助信号，可实现连接器组的多功能性。AUX 通道负责链路管理和测试模式控制。当设置好设备间的电源合约后，USB PD 就会启动交替模式（Alt 模式）数据链路，例如 DP。它通过 SBU 链路使用供应商定义消息 (VDM) 协商 Alt 模式握手。当 DP Alt 模式协商完成后，DP 将进行链路训练以建立连接。DP 链路训练可优化 DP 供电与受电之间的链路，确保流数据的稳健连接。利用 DP Alt 模式，USB-C 电缆可处理 USB 数据、视频图形阵列 (VGA)、数字视频接口 (DVI)、HDMI 和 DP 视频信号。

若要通过 USB 发送交替协议，一种可选方法是使用协议隧道传输。协议隧道传输可在一种协议中创建数据管道，该协议便可通过电缆发送另一种协议的数据。利用这种机制，USB-C 隧道可以在设备之间发送 DP 或 PCIe 数据。

USB 电缆

USB-C 电缆提供各种长度、功率容量和数据传输速度，以配合所使用的 USB 标准。Tripp Lite by Eaton 提供近百种 USB-C 电缆，为使用 USB-C 连接器的设备提供了广泛的功能和扩展选项。

[U520-31N]就是一个很好的例子，这是一种两端都有插头的 USB4 电缆。该产品支持 DP Alt 模式，以 60 Hz 的刷新率提供 4K 或 8K 视频分辨率。此外，U520-31N 还兼容 USB PD，在 20 V 电压下的额定电流为 5 A，可提供 100 W 的功率。电缆长度为 2.6 ft.(0.7925 m)，额定最大传输速率为 40 Gbps。请注意，USB-C 电缆的最大传输速率与长度成反比。

相比之下，[MTB3-01M5-5A-B]（图 2）是一款兼容 USB 3.2 第 2x2 代的电缆，额定数据传输速率为 20 Gbps，支持 60 Hz 下 4K 视频分辨率。与 USB4 电缆一样，该产品也兼容 USB PD，额定功率也是 100 W。这种电缆的长度为 5 ft. (1.5 m)，因此最大数据速率较低。

图 2：MTB3-01M5-5A-B 是一款 USB 3.2 第 2x2 代电缆，支持高达 20 Gbps 的数据速率。（图片来源：Tripp Lite by Eaton）

USB-C 适配器

适配器连接到计算机的输入/输出 (I/O) 端口，并将其协议转换为另一种标准。例如，Tripp Lite by Eaton 的 [U436-06N-GB-C]就是一款 USB-C 转千兆位网络适配器，可与使用 USB 3.0、USB 3.1 第 1 代或 USB 3.2 第 1 代的设备配合使用，数据速率高达 5 Gbps（图 3）。

图 3：U436-06N-GB-C 是一款 USB-C 转千兆位以太网适配器，带有一个 USB-C 充电端口。（图片来源：Tripp Lite by Eaton）

输入连接器是一个 USB-C 插头，输出连接器则是一个以太网 RJ-45 插孔。适配器还包括一个 USB-C 插孔，可提供高达 60 W 的功率（在 3 A 下为 20 V）。如果无法使用无线连接或连接速度太慢，这款适配器可让仅配备 USB-C 的笔记本电脑使用有线以太网连接。

鉴于 USB 标准可以处理多种不同的协议，多端口适配器的出现也就顺理成章了。这些适配器通常提供小型笔记本电脑不再提供的数据通信端口。

[U444-06N-H4GUC2] 就是一个很好的例子。该适配器支持通过计算机的 USB-C 端口提供数字音频、60 Hz 下的 4K 视频、USB PD 以及千兆位以太网（图 4）。

图 4：U444-06N-H4GUC2 多端口适配器可为计算机增加 HDMI、以太网、一个 USB-C 充电端口和一个 USB-A 端口。（图片来源：Tripp Lite by Eaton）

在 U444-06N-H4GUC2 上，USB-A 端口可提供 7.5 W 的功率（在 1.5 A 下为 5 V），而 USB-C 充电端口则可提供 25 W 的功率（在 5 A 下为 5 V）。

坞站将笔记本电脑转换为工作站

坞站通过 USB-C 连接器增加多个端口，以此扩展笔记本电脑的连接性。它们基本上可以将笔记本电脑转换为多功能工作站。例如，Tripp Lite by Eaton 的 [U442-DOCK2-S]USB-C 为 HDMI、mini DP、VGA、以太网、SD 和 microSD 存储器、USB-C 功率输送和三个 USB-A 连接器增加了专用端口（图 5）。此外，还包括一个 3.5 mm 耳机插孔。

图 5：U442-DOCK2-S USB-C 坞站增加了笔记本电脑可用端口的数量和类型，其中包括音频、视频、存储器、USB 和以太网。（图片来源：Tripp Lite by Eaton）

mini DP 和 HDMI 端口支持 30 Hz 下的 4K x 2K 分辨率视频，VGA 端口则支持 60 Hz 下的 1080P 分辨率。以太网 RJ-45 端口支持 10/200/1000 Mbps 以太网。三个 USB-A 端口可用于连接 USB 外设，例如键盘、鼠标、闪存驱动器、打印机或智能手机。这些端口可提供高达 7.5 W 的直流电源（在 1.5 A 下为 5 V）。双向 USB-C 充电端口可处理高达 60 W 的功率（在 3 A 下为 20 V）。

笔记本电脑的 USB-C 端口能够让各种各样的接口使用 USB 标准的多协议功能。

总结

USB-C 连接器支持高达 40 Gbps 的数据吞吐率，PD 功率高达 120 W，并且可正反两插。为了帮助充分利用这些功能，Tripp Lite by Eaton 以电缆、适配器和坞站的形式提供各种各样的 USB-C 解决方案，以通过单个 USB-C 连接器支持强大的功能和连接性。

审核编辑 黄宇