USB23年發(fā)展史，多了什么變化？

USB連接自從首次推出到現(xiàn)在已經(jīng)有23年，這種技術(shù)在全球電子行業(yè)中的擴(kuò)展速度前所未有。USB現(xiàn)在已經(jīng)擁有超過30億端口的年出貨量，是迄今為止最常用的接口技術(shù)，筆記本電腦、平板電腦、智能手機(jī)和其他各種設(shè)備都依賴于這種技術(shù)來進(jìn)行功率和數(shù)據(jù)傳輸。今天USB已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其最初提供的功能，所支持的數(shù)據(jù)速率和功率水平都提高了幾個數(shù)量級。而且，由于這種不斷發(fā)展的推動，USB技術(shù)已經(jīng)比任何其他連接解決方案都更加普及。

通過Type-C連接器，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)具備更小巧外形的USB接口，這對OEM來說非常有利，使他們能夠?yàn)槠洚a(chǎn)品開發(fā)更時尚、更美觀的設(shè)計。這也意味著，USB連接器相對于端口的方向在配對插接時終于不再那么重要，而過去這些對于用戶則是一個很大的挫折感。除此之外，現(xiàn)在也可以通過USB技術(shù)達(dá)到更高速率數(shù)據(jù)傳輸。USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)10Gbps的速度，從而使USB標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到與以太網(wǎng)、DisplayPort、HDMI等媲美的帶寬，并且在很多應(yīng)用場景中能夠取代其他連接技術(shù)。

有許多尖端的半導(dǎo)體芯片可以幫助工程師在其設(shè)計項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)USB技術(shù)。Microchip的USB7002是一款符合USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)的四端口控制器IC，可以處理兩個帶有USB Type-C連接器的USB 3.1 Gen 1下游端口，以及兩個帶有傳統(tǒng)Type-A連接器的USB 2.0 SuperSpeed端口。它采用12mm x 12mm x 0.9mm VQFN-100封裝，可將電路板空間占用降至最低，目標(biāo)應(yīng)用包括家庭媒體中心（media hubs）和車載信息娛樂系統(tǒng)。賽普拉斯的HX3PD USB 3.1 Gen 2 Type-C 集線器控制器包含七個下游端口，適用于筆記本電腦和平板電腦擴(kuò)展塢（docking stations）、監(jiān)控底座等。其高集成度使插接系統(tǒng)設(shè)計更加簡化，并能夠減少整體組件使用數(shù)量。該IC具有雙ARM Cortex-MO內(nèi)核以及256kB的閃存，支持以往的USB標(biāo)準(zhǔn)（高速、全速等），可實(shí)現(xiàn)后向兼容性。此外，它還集成有I2C、SPI、UART和GPIO接口，可實(shí)現(xiàn)更多功能。其可編程性意味著該IC具有面向未來的可靠性，可以應(yīng)對未來幾年內(nèi)對USB規(guī)范進(jìn)行的可能更改。

USB技術(shù)現(xiàn)在可以提供更高數(shù)據(jù)速率，這當(dāng)然也會增加信號完整性問題。當(dāng)用USB技術(shù)傳輸高清視頻內(nèi)容時，尤其是進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，信號完整性問題必須考慮，需要減輕所有抖動、串?dāng)_和信道損耗等影響。恩智浦（NXP）CBTU02043的引腳排列經(jīng)過全面優(yōu)化，可消除串?dāng)_。這款USB 3.1多路開關(guān)IC具有低插入損耗（5GHz時為-1.4dB，100MHz時為-0.5dB），以及低回波損耗（2.5GHz時約為-16dB），其另一個關(guān)鍵特性是具備 2kV HBM ESD保護(hù)。德州儀器（Texas Instruments）的HD3SS3212x雙通道、雙向差分多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器（demultiplexer）開關(guān)針對USB Type-C系統(tǒng)設(shè)計，支持USB 3.1 Gen 1和Gen 2數(shù)據(jù)速率。它具有-32dB（典型值）的串?dāng)_數(shù)值和-12dB的回波損耗，強(qiáng)大的動態(tài)特性意味著該IC能夠進(jìn)行高速開關(guān)而不會產(chǎn)生較大抖動。

對于USB技術(shù)，不僅僅是數(shù)據(jù)速率和信噪比重要，通過相同的接口傳輸功率和數(shù)據(jù)一直是USB的魅力所在，并且對于該標(biāo)準(zhǔn)的未來發(fā)展至關(guān)重要。近年來，通過USB傳輸功率的能力已大大增強(qiáng)，USB功率傳輸規(guī)范（USB Power Delivery Specification）3.0版本的出現(xiàn)將功率水平提高到驚人的100W（最初的USB規(guī)范可以承載僅2.5W）。此外，作為該標(biāo)準(zhǔn)的一部分，充電方向不再固定，在適當(dāng)?shù)那闆r下，被充電設(shè)備（PD）也能夠充當(dāng)電源。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的STUSB47自主式Type-C USB功率傳輸控制器IC具有所需的內(nèi)置智能來檢測連接的被充電設(shè)備，然后可以測量需要給它提供的功率，而無需系統(tǒng)微控制器（MCU）的參與，從而使整個過程更加高效。它支持所有當(dāng)前的USB PD配置文件，完全符合USB Power Delivery Specification Revision 2.0。

FTDI Chip的FT4233H USB Type-C橋接IC于2018年末推出，支持修訂版3.0，可提供3A電流，同時仍能夠提供數(shù)據(jù)傳輸（速率高達(dá)480Mbps）。通過芯片上嵌入的32位PD策略引擎（Policy Engine）和USB協(xié)議引擎可以進(jìn)行協(xié)商和功率測量，從而確保這些任務(wù)不占用系統(tǒng)MCU的任何資源，因此不會影響其運(yùn)行性能。通過支持兩個Type-C端口，它能夠支持系統(tǒng)內(nèi)的供電方向反轉(zhuǎn)，這樣之前充電的設(shè)備就可以開始為其他設(shè)備充電。這種反轉(zhuǎn)可以瞬間完成，而不會中斷正在經(jīng)歷的數(shù)據(jù)流傳輸?？膳渲枚丝谀軌虺洚?dāng)功率吸收或發(fā)源（甚至具備雙角色能力），而另一個端口則永久保留為功率吸收器。去年年底Diodes公司還推出了 AP22815 和 AP22615，在電壓升高時，這些3A單通道高端USB電源開關(guān)IC將能夠保護(hù)便攜式電子設(shè)備和計算機(jī)外圍設(shè)備免受熱交換帶來的潛在威脅。與FTDI IC一樣，它們完全符合最新的USB功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并可提供過壓、過流、短路和過溫保護(hù)等機(jī)制，以及欠壓鎖定和受控上升時間、外部存儲電容的放電等功能。AP22815采用TSOT25封裝，具有固定限流功能，而AP22615采用TSOT26封裝，具有可調(diào)電流限制。由于采用了該公司專有的銅柱（copper-pillar）封裝技術(shù)，這些IC具有超低的導(dǎo)通電阻值（通常為40mΩ），能夠在150μs內(nèi)檢測并響應(yīng)電源軌的存在（或不存在）。

最新的USB技術(shù)能夠提供更高性能和更多的便利性，因而受到消費(fèi)者和原始設(shè)備制造商的歡迎。但這種技術(shù)未來仍然存在一些重大障礙，其中包括與數(shù)據(jù)安全性和確保高功率充電模式的可靠性等相關(guān)問題，還需要考慮OEM兼容性問題。例如，當(dāng)連接到競爭對手的設(shè)備時，不同的消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商一般不允許通過其適配器進(jìn)行快速充電。這違背了USB努力在行業(yè)中提倡的整體精神，并有望在不久的將來能夠解決這些問題。展望未來，USB 3.2將開辟更多信道以進(jìn)一步擴(kuò)展可用帶寬，從而可支持20Gbps的數(shù)據(jù)速率。但同樣需要面對一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中維護(hù)信號完整性，免受電壓浪涌、ESD沖擊和電磁干擾（EMI）等問題。
責(zé)編AJX