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USB连接线标准接口简述

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USB连接线标准接口简述

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制程工艺材料类

USB为Universal Series Bus (通用序列总线)的缩写,是一种串行通讯协议(sereal protocol),它负责实体层和链接层的建立。它可以支持慢速的数据传输(如鼠标、键盘、游戏摇杆等)也支持快速的数字压缩影音信息。普通的USB2.0版本以下有两对线,分别用来传输数据和提供给接口设备所需的电源线,在2.0版前的标准定义了速度各为12Mbps(Full Speed)及1.5Mbps(Low Speed)的高速和低速两种电缆线(Cable),各与上游Host(主机)端的Type A连接器与下游Device (装置)端的Type B连接器组合而成USB线缆组(Cable Assembly)。透过USB集线器(Hub)和计算机内部的根集线器(Root Hub)就可以形成一个星状网络,并且随着集线器的数量增加而使得网络的规模随之增大。所以它籍由一种全球通用的连接器取代了传统的各种外接埠,像是串行端口、游戏接口和并列端口等,USB并且可以允许多达127个接口设备串接到一个外接USB埠上,而不必像现在的串行埠或并列埠一般,一个埠只能接一个接口设备。如图所示,简单的说,就是简化外部接口设备与主机之间的联接,利用一条传输在线并列串接各类接口设备,解决现在主机后面一大堆线乱绕的困境。而且还能够在不用重新开机或安装的状态下,随时安插各式的接口设备。为了使终端使用者能简化计算机周边配备连接与规划的过程。(数据线生产厂家)

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USB是一种连接标准,它不需要再重新配置系统就可以使接口设备直接连到计算机,为随插即用(PnP,hot-swapping)提供了更为宽广的未来,增加了使用者使用上的方便迅速。目前USB已经可以达到USB4阶段,高达40Gbps(High speed)高速传输目标,已经超过了IEEE1394-1995规格所定的速度,即使USB仍然有一些问题有待解决,不过占尽价格与技朮优势的USB将成为PC总线标准的主流已经是必然的趋势.

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USB的主要特性简述

l  经济性:

USB 提供低价位的连接周边装置方案,一次Z多可以连结多达127个装置。

l  热插拔及Plug&Play的功能:

USB自动侦测装置连接,软件会自动将其规划,以供立刻使用。此过程中,不 需要使用者介入。         

l  缆线供电:

USB支持多种传输速率,可分为低速(Low Speed)1.5Mb/s及高速(Full Speed)12Mb/s。另2.0版USB传输速率为480Mb/s,3.0版USB传输速率为4980Mb/s3.1版USB传输速率为10G/Mbps;即将在年底商用的USB4传输速率更是达到恐怖的40G/Mbps;版本的其中,前者使得低速/低价装置之使用成为可能。此乃因为缆线可被设计为不需要遮蔽因而价格降低。周边装置可直接由缆线供电。后者可提供5.0VDC的电力。视集线器连接器埠而定,USB2.0系列及以下版本电流的范围是100mA-500mA;而USB 3.0提供了5V/0.9A电源。但人们任然希望更强的供电能力,于是USB 3.1(SuperSpeed+)将供电的Z高允许标准提高到了20V/5A,供电100W。数据线生产厂家)

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l  免除系统资源需求:

与ISA、EISA和PCI装置不同的是,USB装置不需要记意体或输出入地址空间(DMA)以及IRQ线。

l  错误侦测与复原:

USB交易包含错误侦测机制以确保数据的正确传递。当错误发生时,交易将被重试。

l  节省能源:

若是经过3ms总线没有动作,USB装置会自动进入省电状态。此时,装置所消耗的电流不超过500uA。

l  支持四种传输:

USB定义四种传输形态以支持各种不同装置的需求。这四种形态包括(巨量、实时、中断及控制传输)。

备注: 

ISA: industry standard architecture 工业标准结构

EISA: Extended industry standard architecture 工业标准延伸架构

PCI: Peripheral Component Interconnect 外部组件互连

DMA: Direct Memory Access 直接内存存取

IRQ: Interrupt Request 中断要求 


USB的接口成长历程


USB规范的不断更新,从通讯速率到接口形式都有显著变化,从下表可以看出通讯速率成倍的增加,目前Z快的理论数据通信速率USB4和雷电接口相容达到了40Gbit/s,接口形式也从少到多,Z后归一到Type-C一种,符合当前人们对高速率通信和大充电的需求

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1 USB1.X时代

在USB 1.0时期,大多设备没有预留USB口,操作系统支持也不够,USB文件观念过于抽象,导致USB技术普及非常困难。在USB 1.1时期,USB通讯速率提高,并且windows98操作系统中内置了USB接口模块,USB才受到了外设厂家的普遍青睐。

2  USB2.X时代

2000年8月,正式公布USB 2.0标准。在USB 2.0规格中,Z重要的是增加更高的数据传输速率480 Mbps,属于半双工通信,现在仍然广泛使用。

USB 2.0将其带入了辉煌时期,在主机端,个人电脑几乎都支持USB,在设备端,使用USB接口的设备与日俱增,例如数码相机、扫描仪、打印机、鼠标、键盘等。其Z大优势在于“热插拔 ”、“携带方便”、“标准统一”、“可连接多个设备”,并逐步淘汰了PC机的并口和其他老旧接口。

在USB 2.0时期,增加了USB的补充协议,OTG(On-The-Go),USB接口增加了ID引脚,作为主机和从机的判断依据。OTG主要应用于各种不同的设备或者移动设备间的联接,进行数据交换,比如PAD、手机、消费类设备等无主机的情况下通信。

3  USB3.X时代

USB3.0,就是新一代的USB接口,特点是传输速率非常快,理论上能达到5Gbps,全面超越IEEE 1394和eSATA,增加了更多并行的物理总线,实现全双工通信。

在USB3.1以后基本上使用了Type-C接口,通信速率也是成倍增加,Type-C的24个可定义针脚远超USB-A与USB-B。

4  USB4.X未来时代

USB-IF联盟已经发布了USB4.0的协议标准,按照协议标准,USB4.0Z高速率可以达到40Gbps,采用USB-C接口(具体引脚功能还在制定中),届时USB接口可以支持PCIE的设备,届时USB接口可以直接外接显卡,体验超高清视频画面。数据线生产厂家)

USB更新接口Z让人期待的变化-PD充电

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在USB 2.0时代,可提供5V@500mA=2.5W的电力,而USB-IF协会旗下Battery Charging工作小组开始推动以USB/miniUSB/microUSB连接线做为行动装置电池供电器的充电规范。包括2007年Battery Charging(BC) v1.0规范,与2009年BC v1.1规范;2008年USB 3.0规范推出后,可提供5V@900mA=4.5W的电力,虽然USB 3.0提供了5V/0.9A电源。但人们任然希望更强的供电能力,于是USB 3.1(SuperSpeed+)将供电的Z高允许标准提高到了20V/5A,供电100W。

无论是USB 2.0的2.5W、USB 3.0的4.5W或BC 1.2的7.5W,这些过去伴随在USB汇流排的充电/供电规格,虽可符合像是手机、MP3的充电需求,但往往需要耗费很多时间才能充饱电;即便是BC 1.2规范上,仅7.5W的供充电功率,光对一般智慧手机充电就要耗费数十分到数小时不等,对稍大尺寸的平板甚至笔电装置,要做充电/供电根本办不到。


于是USB-IF另外成立了电力传输(Power Delivery)工作小组,着手进行藉由USB汇流排提供更大功率充电/供电电流的雄心。2012年7月首度公布USB Power Delivery(PD) 1.0规范,透过5种供电设定级别(Profile 1~5),Z高达100瓦的电力传输量,以及供电端(Source)与接电端(Sink)可以互向的双向式的电源供应特性,让各种装置均能透过单独一条USB线缆满足供电需求,缩短装置充电时间并优化行动应用的便利性。同时能够跟既有USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0充电规范相容。

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USB Power Delivery技术与架构详解

USB Power Delivery (USB PD)在充电/供电规格上,制定了Z基本的Profile 1 (提供5V@2A, 10W供电,适用于手机、数位相机等可携装置)、Profile 2 (提供5V@2A、12V@1.5A, 10~18W供电,适用于平板电脑、外接储存装置)、Profile 3 (提供5V@2A、12V@3A, 10~36W供电,适用于Ultrabook、变形平板等装置)、Profile 4 (提供5V@2A、12/20V@3A, 10~60W供电,这是microUSB能支援的Z大供电规格,适用于一般高效能笔电、AIO电脑),以及Z高级别Profile 5 (提供5V@2A、12/20V@5A, 10~100W供电,用于标准A/B与Type-C连接头,可接液晶显示器、平面电视)。


USB PD架构上定义了供电端(Provider)与受电端(Consumer),两端各自有数据沟通以及提供额外电力的IC晶片(SuperSpeed InterChip;SSIC),并利用23.2MHz的VBUS收发载频,以300kbps传输速度来传递Frequency Shift Keying(FSK)信号,并决定实际发送的电压值与电流值;而在8月新公布的USB PD 2.0规格,则首度支援新型态的无方向性Type-C连接头,并改采藉由CC汇流排进行双向沟通并决定发送电压/电流值。


支援USD PD的连接头,则在传统USB连接头图案左边加了SS字母,而同时支援USB 3.1与PD 2.0的USB连接头,还在右上方多加了一个10的字母,代表着具备10Gbps的高传输速率。以USB PD Standard-A连接器为例,在板端的USB PD Standard-A插座内增加了PD Detect脚位,利用USB接头与插座之间的侦测脚位接触与否,来判断所连接的缆线是否支援USB PD规格。数据线生产厂家)


USB PD Standard-B连接器,则透过 USB PD Standard-B插座内的ID脚位,来判断所连接的缆线是否支援USB PD规格。同时依据内置电容位置,来判断承受3A电流或5A电流负载。

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USB PD的应用与市场动态

传统的使用情境,主机多半作为供电端,提供电力给连接的萤幕显示器(或萤幕自己独立接电源)、笔电或硬碟;手机和硬碟作为受电端,可吃主机或笔电的电。透过USB缆线供电给一部设计功率65瓦的笔记型电脑,并可再与另一台萤幕相连作为延伸桌面显示。当显示器、笔电与平板都支援USB PD时,显示器、笔电与平板可是供电端也可以当受电端。当笔电、平板电力不足或没带电源供应器时,可透过萤幕来供电;当萤幕需要电力时,也可透过主机、笔电或平板进行供电。这两者也可以在其他装置像是手机、外接硬碟等需要电力时,透过USB Hub的连接来传送电力,或者反过来透过Hub传送电力给笔电、平板,同时仍可进行资料传输。


这样双向性的灵活串接运用,只要在产品供电端与受电端增加USB PD数据沟通IC,随插即充的梦想即可实现。USB PD技术根基于既有低价且已大量普及的USB 介面与缆线,未来在各种USB PD产品应用想必可以加速普及,自然也成为各厂家在未来所期待的USBZ值得推崇的技术应用。


就市场面来看,除了英特尔(Intel)为USB PD的主要技术推手,不乏大家熟知的Weltrend伟诠、VIA威锋、Richtek立锜、Leadtrend通嘉、NXP恩智浦、Cypress赛普拉斯,慧能泰等芯片原厂等,特别是大家熟知的国内PD芯片领导者品牌深圳慧能泰PD产品支持18W到100W的功率范围,也支持双口和多口的智能分配功率应用,是PD电源市场极具竞争力的选择。随着USB PD快充及高通QC4+快充的普及,目前市面上已有多款设备支持了USB PD快充,甚至不少手机已经率先支持了USB PD3.0(PPS)协议,用户群数量也在不断增加,整个USB PD快充生态已经具备一定规模,市场前景一片火热。从数据中也可以看到,目前已经有10多款芯片取得协会的USB PD3.0(PPS)认证(认证中、开发中的不计),可见各原厂对市场风向的把控是非常精准的;同时随着这些认证芯片的投产及应用,相信过不了多长时间 ,市面的上的充电器、车充、移动电源将迎来一轮的大规模更新换代。数据线生产厂家)



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