回顧USB發(fā)展史的輝煌

中國又完成了一次人類歷史上規(guī)模最大的遷徙過程。與往年的狀況相似，鐵路仍然是人們春節(jié)出行的首選，但與往年不同的是人們的出行節(jié)奏發(fā)生了變化，假期結(jié)束時的出行時間后移了，但到達時間卻沒有后移，這也就意味著同時在途的人增加了，而每個人的在途時間卻縮短了，旅途再也不是那么勞累了，這對提高中國人的幸福感自然會有莫大的幫助。導(dǎo)致這種變化的根本原因是高鐵，它很可能徹底地改變了中國。

高鐵的設(shè)計與早期的鐵路設(shè)計有巨大的不同。首先，它是雙向運行的，兩列火車可以相向而行，不用在某個地方停下來等對方車輛通過之后再走。其次它是高速運行的，比早期的火車速度高了若干倍。這些優(yōu)勢的出現(xiàn)大大縮短了兩地之間的時間距離，使過去看來遙不可及的兩地變得很近很近，運行效率大大提高，這對國計民生的改善自然會有極大的幫助。

關(guān)心軍事裝備發(fā)展的人應(yīng)該會注意到美國最新最強大的福特號航母馬上就要服役了，這種耗資150億美元建設(shè)的大型軍事設(shè)施的威力遠(yuǎn)超世界上很多國家的全部軍力。同時，據(jù)美國媒體《華盛頓自由燈塔》網(wǎng)站最近報道，說中國在最近試驗了在鐵路上發(fā)射東風(fēng)-41，如果這是真的，這就意味著通過高鐵的運輸今天還在西北的導(dǎo)彈明天就可以出現(xiàn)在西南或是東北，而且可以在任何一個地方停下來就進入戰(zhàn)斗狀態(tài)，處處都可以是發(fā)射陣地，這將使中國保衛(wèi)自己的能力越來越高，可以更有效地防范外來的戰(zhàn)爭風(fēng)險，確保國家的長治久安。

在我看來，USB的進化與鐵路的進化是有得一比的。

2.0版本以前的USB就像過去的單線鐵路一樣，上行和下行的數(shù)據(jù)是通過同一條線路進行傳送的，當(dāng)兩個方向的數(shù)據(jù)量都很大的時候，交通擁堵的狀況是不堪忍受的。我在整理自己的移動硬盤的時候有一種很自然的反應(yīng)就是直接將一個硬盤上的文件移動到另一個硬盤上，但我?guī)缀趺看芜@么做了之后都會后悔，因為電腦很快就會告訴你還有幾十分鐘甚至是以小時計的時間需要等待，這個時候的電腦顯示的數(shù)據(jù)在移動的動畫也變得如同烏龜在爬。面對這樣的狀況，如果你沒有什么急事，自然可以讓電腦慢慢地去完成任務(wù)，遇到公眾場合有兩個人或更多人要交換一下各自的文件，那就變成一件惱人的事情了，偏偏是這樣的狀況我還多次遇到，有時候就不得不放棄了。

USB在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候?qū)鬏數(shù)钠焚|(zhì)是有分級的。對于流媒體，如語音通訊、視頻傳播，它們是容許某些數(shù)據(jù)被丟失的，遇到某些錯誤也不會去管它，系統(tǒng)只管將能夠使用的數(shù)據(jù)利用起來，丟失和錯誤的部分就不要了，因為這可以依靠我們的大腦來對此進行補充或是說彌補，因為我們的大腦可以在沒有獲得全部信息的情況下利用已有信息來做此工作。但在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，就像我說的文件移動和復(fù)制，那就需要所有信息全部正確才行，一旦在傳輸中的數(shù)據(jù)有錯，系統(tǒng)就需要根據(jù)一定的算法進行錯誤糾正，如果糾正失敗，那就需要要求重發(fā)。如果整個過程都沒有錯誤，收端還需要向發(fā)端發(fā)送收到正確的確認(rèn)信息。這些都是一個數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)本來應(yīng)有的東西，但是這些措施的存在自然是會降低數(shù)據(jù)通訊的效率的。所以，雖然USB 2.0已經(jīng)將數(shù)據(jù)傳輸速度提高到了480Mbps，這個速度還被定義為高速，但落實到具體的應(yīng)用中，實際還是很低的，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了技術(shù)發(fā)展、信息爆炸和人心的欲望。

2008年，USB 3.0問世，它的總線結(jié)構(gòu)被設(shè)計成這樣：

這是一種雙總線結(jié)構(gòu)，超速的數(shù)據(jù)通道和USB 2.0通道同時并存。為了同時滿足兩個通道的需求，其電纜的規(guī)格也得到了加強，其內(nèi)部電路如下：

很顯然，VBUS/GND和D+/D-都是從USB 2.0繼承來的，它們按照USB 2.0以前的規(guī)格運作。標(biāo)注為SSTX+/-和SSRX+/-的兩對線就是為全新的規(guī)格準(zhǔn)備的了，從這個圖上就可以看出來，這兩對線是單向傳輸?shù)?。在舊的標(biāo)準(zhǔn)中，兩個方向的數(shù)據(jù)不得不分時在線上傳輸，其數(shù)據(jù)吞吐量自然會受影響。新標(biāo)準(zhǔn)對單向傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)碼速率的定義是5Gbps，這個速度被稱為SuperSpeed（我把它翻譯為超速），以便和原來使用的Low-Speed(1.5Mbps)、Full-Speed(12Mbps)和High-Speed(480Mbps)區(qū)別開來。超速信號的傳輸和舊的方法不同，在其發(fā)送端，信號通過電容以交流耦合的形式被驅(qū)動器送到傳輸線上。

高達5Gbps的信號在電纜上傳輸，可能帶來的EMI問題也是很嚴(yán)重的。所以，USB 3.0電纜中用于超速數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|需要被屏蔽起來，USB 3.0的連接器中特別安排了所謂的GND_Drain供此屏蔽線連接。而最后的整條電纜也是需要被屏蔽起來的，這個屏蔽層就需要與連接器的金屬外殼連接起來了。

符合USB 3.0的電纜，其內(nèi)部是這樣一種結(jié)構(gòu)：

其中的UTP Signal Pair是用于USB 2.0的信號傳輸?shù)模瑑蓪?a target="_blank">SDP Signal Pair就是用于超速信號傳輸?shù)?。所謂的UTP是非屏蔽雙絞線的英文首字母縮寫，SDP則是屏蔽差分線的英文首字母縮寫。

很顯然，USB 3.0的電纜線的規(guī)格要比USB 2.0以前規(guī)格的線復(fù)雜，要求也會高很多。實際上，規(guī)范還給出了電纜用線的規(guī)格選擇指導(dǎo)，可供制造商參考使用：

線多了，連接器的端子就需要增加，還要同時保持和原有USB連接器的兼容，這無疑是增加了設(shè)計的難度，但是，這些都成了現(xiàn)實。

USB 3.0的連接器是在原有的標(biāo)準(zhǔn)A型和B型連接器以及Micro-A、Micro-B和Micro-AB型連接器上的升級，原有的Mini系列的連接器沒有再出現(xiàn)，但是新增了一個Powered-B型連接器。利用新增加的Powered-B型連接器，它容許一臺使用標(biāo)準(zhǔn)B型插座的USB外設(shè)向USB適配器提供電源供應(yīng)，避免這樣的適配器還要自備電源，為達此目的，Powered-B型連接器又多出了兩個端子，但其結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)B型連接器還是兼容的。

USB 2.0和USB 3.0兩種規(guī)格的插頭和插座之間的適配關(guān)系如下面的表格所示：

從一個最終產(chǎn)品的使用者的角度來看，我們能夠看到的USB標(biāo)準(zhǔn)A型插座外觀如下圖中的虛線圍起來的部分所示（這是機械結(jié)構(gòu)圖，看不懂的往后翻去看照片）：

上圖中虛線框下面的像腳一樣的爪子是要被焊接在機器內(nèi)部的板子上的。虛線圍起來的部分的標(biāo)識如下：

其中標(biāo)識為1、2、3、4的就是與原有USB 2.0兼容的端子，它們突出在外；表示為5、6、7、8、9的就是USB 3.0新增的端子，它們是沉陷下去的。如果我們換個角度來看，這些端子的平面位置關(guān)系展示如下：

再換個角度，你看到的就會是這個樣子：

要看懂上面的圖，你是需要有一點機械制圖的知識的。沒有相關(guān)知識的人可以看下圖：

這個圖可以被認(rèn)為是一張照片了，它同時把USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)A型插座和插頭都包含在內(nèi)了，左邊是插座，右邊的是插頭。唯一的缺憾是你沒有辦法透過照片看到物體內(nèi)部的細(xì)節(jié)，這是需要用前面的那幾幅圖來深入了解的，從這一點你可以了解工程人員表達世界的方式和普通人是不同的。

上述照片中的彩色是規(guī)范所定義的一種標(biāo)識USB 3.0接口的方法，但它不是強制標(biāo)準(zhǔn)，只是一種建議，也正因為這只是一種建議，我的筆記本電腦上的USB 3.0接口就沒有這種顏色標(biāo)識，而我的另外一臺USB集線器就采用了這種方法。
既然用顏色來標(biāo)識USB 3.0接口只是一個建議，那么一個消費者怎樣識別一個USB接口是否是 3.0的規(guī)格呢？你需要看該接口上是否有如下標(biāo)志：

它實際表示的是“這是一個SuperSpeed的USB接口”。當(dāng)然了，其中的細(xì)線和文字不屬于標(biāo)識符的內(nèi)容，它們是用于說明其制作標(biāo)準(zhǔn)的信息。作為實例，你可以在上面的照片中的插頭上看到它。在你的電腦上的USB接口旁邊也可能有這一標(biāo)識，如果你看到的標(biāo)識沒有SS符號而是被圓點代替了，則表示那還是USB 2.0以前的規(guī)格。

對于其它的幾種插座和插頭的設(shè)計我就不打算繼續(xù)介紹了，真正的需求者可以去閱讀USB 3.0的規(guī)范以了解更多。

站在一個電源工程師的立場來看USB 3.0，大概會發(fā)現(xiàn)其電源管理方法和USB 2.0的方法是類似的，但是它把電源供應(yīng)能力預(yù)算提升了。舊的規(guī)格在外設(shè)完成配置前/后可以吸取的電流是100mA/500mA，USB 3.0則把規(guī)格提高到了150mA/900mA。這種改變對應(yīng)用來說自然是個福音，這對USB 3.0發(fā)布的時間來說可能是合適的，但對當(dāng)前的應(yīng)用來說仍是很不足的。

在USB的規(guī)范中，像上述的100mA和150mA被稱作一個單位的電流負(fù)載，而900mA被稱作6個單位電流負(fù)載。

作為一個電源工程師，我們會非常關(guān)心電源的安全問題。在各種電源的安全規(guī)格中，短路保護可能是最重要的一個，因為這是最容易發(fā)生的事情。

看看USB的插座你就會知道它的VBUS和GND是完全裸露在外的，如果有人將一塊金屬片插入其中，很容易就會造成兩者之間的短路。一個電源在輸出短路情況下的電流輸出是由其最大電流輸出能力決定的，這個能力通常會受到設(shè)計上的限制以便保護電源系統(tǒng)。但是，電源輸出端一旦短路，輸出電壓就肯定無法維持了，它只會根據(jù)造成短路的線路的阻抗結(jié)合流過的電流而形成一定的電壓，通常這會是一個很低的值。所以，如果這個電源的輸出上還有別的負(fù)載存在，這些負(fù)載在面臨這樣的惡劣狀況時不能保持正常工作就是必然的，這意味著系統(tǒng)很可能會崩潰掉。

為了讓USB這樣的接口能夠免受短路的困擾，系統(tǒng)設(shè)計者可以選用帶有限流保護的電源開關(guān)裝設(shè)在接口上，其電路通常是這樣的：

為VBUS供電的5V電源先通過VIN接入RT9742，在EN使能端有效以后VOUT就會有輸出，輸出經(jīng)輸出電容COUT去耦后接到VBUS端即可。

如果RT9742發(fā)現(xiàn)輸出電流過大，它就會進入限流狀態(tài)，這必然造成VBUS總線上的電壓降低，但是RT9742的輸入電壓并未下降，所以其VIN和VOUT之間就會存在壓降，這將使其功耗增加并發(fā)熱。當(dāng)RT9742的內(nèi)核溫度高到一定的程度時，其內(nèi)部開關(guān)會因過熱而關(guān)閉，輸出端得不到電流的補充，故障也就變得沒有意義了。

內(nèi)部開關(guān)關(guān)閉以后的RT9742會因為沒有功耗而導(dǎo)致其溫度逐漸下降，下降到一定程度時就會重啟其輸出。此后，如果故障問題已經(jīng)消除，則工作就進入正常狀態(tài)。如果故障依舊，上述的保護過程就會重復(fù)進行。

RT9742的FLG端子是一個開漏輸出端，當(dāng)負(fù)載正常時它處于高阻狀態(tài)，其電壓就等于其上拉電阻所接的電壓。如果過流狀況發(fā)生，其內(nèi)部與GND導(dǎo)通，其電壓為0V。因此，這個端子可被當(dāng)作故障指示信號供系統(tǒng)使用。

RT9742這樣的開關(guān)是為端口的安全負(fù)責(zé)的，所以有通過UL的認(rèn)證，你可以在立锜的產(chǎn)品文件中找到相應(yīng)的認(rèn)證號碼。

在我的工作經(jīng)歷中曾將像RT9742這樣的器件用于很多種目的的應(yīng)用中，從而大大拓展了它的應(yīng)用空間。特別需要提示的是，立锜的這類開關(guān)都具有隔離輸入和輸出的功能，它們可在非使能情況下避免輸出端的電流流向輸入端，這是很多同類產(chǎn)品不具備的特性。

RT9742有多種電流限制值可選（3A/2A/1.5A/1A），其使能信號的極性也是可選的（高/低），可以分別滿足不同應(yīng)用場合的需要。在正常導(dǎo)通情況下，電子開關(guān)將引入一定的阻抗，會因不同的電流帶來一定的壓降，這是設(shè)計者需要注意的。對于RT9742來說，其引入的阻抗為70mΩ或55mΩ，具體的值與其所使用的封裝有關(guān)，設(shè)計者可以選用倒裝結(jié)構(gòu)的封裝以獲得最佳性能。