USB Type-C 的複雜性與操作方式
作者：初級應用工程師 Muhammad Zafar Kausar
USB 的普及之路
90年代中期問世的通用序列匯流排 (USB)，現在已成為一種便利又普遍的互連技術，它簡化了將個人電腦和周邊裝置 (像是印表機、掃描器和鍵盤) 的連接線材的數量和多樣性。有了這項技術，設置家庭和辦公室電腦變得更輕鬆，筆記型電腦的用戶無需攜帶大量笨重的線材，便能連接周邊裝置和配件。
1990 年代末與 21 世紀初，USB 介面標準發展到支援 12.0Mbit/s 及 480Mbit/s 的資料傳輸速度，而開始廣泛採用 USB 介面；後來，這兩種速度分別稱為 FullSpeed 及 HiSpeed。USB 2.0 標準目前仍然支援這兩種資料傳輸速度，以及 USB 1.x 未提供的功能，為用戶帶來更大的使用彈性。此後，USB 3.2 規格將資料傳輸速度從 5Gbit/s 提高到 20Gbit/s，而 2019 年宣佈推出 USB 4.0，更進一步將資料傳輸速度提高到 40Gbit/s。
除了簡化和統一資料連接，以及取代包括小型電腦系統介面 (SCSI) 在內的龐大介面，USB 標準還在同一連接中加入 5V 電源，可供應高達 500mA 的電流；此技術為小型裝置提供便捷的供電和充電方式。隨後，USB 開發者論壇 (USB-IF) 制定了電池充電 (USB BC) 及供電 (USB PD) 規範。USB PD 使得相連的設備能夠以 5V 至 20V 的電壓，以及高達 5A 的電流協商供電。
隨著消費性技術市場蓬勃發展，從攜帶式運算到智慧電器和家庭安全，全球許多製造商都選擇採用 USB 連接技術。USB 同樣盛行於汽車產業應用，該產業的生態設計標準強制要求使用 USB。這項標準旨在淘汰行動裝置所使用的特定類型充電器，以減少全球電子廢棄物的數量。
體積更小，更易於使用
各代的 USB 接頭隨著消費者的需求而發展出不同的外型尺寸，像是變得更小和提高資料傳輸速度。插座通常位於主機或裝置中，而線材通常包含插頭。圖 1 比較了個人電腦、周邊裝置及攜帶式/行動裝置中常見插頭類型的尺寸。
圖 1：比較 USB 插頭尺寸
與周邊裝置相連的個人電腦等主機裝置，一般使用 USB Type-A 接頭。過去，周邊裝置使用 Type-B 接頭，常出現在印表機和掃描器等裝置中。Mini USB 及 Micro USB 接頭適用於小型裝置，這些接頭包括 Type-A、Type-B 和 Type-AB 等版本，以及尺寸更寬、傳輸速度更快的 Micro SuperSpeed (配備額外接腳，可處理雙資料通道)。
採用最新 USB Type-C® 接頭的產品現已引進全球市場，包括個人電腦和周邊裝置、手機、一體型電腦、儲存周邊裝置、ultra-HD 顯示器，以及使用充電電池來供電的無人機等系統。USB Type-C 標準簡化了與舊版本的向下相容性，只要使用正確的轉接器，就能連接 Type-C 接頭及舊款接頭。
Type-C 接頭有 24 個接腳，相較之下，USB 3.0 Standard-A 接頭只有 9 個接腳。需要有更多的接腳，才能在翻轉接頭方向時也能順利操作，並支援雙通道操作。插頭和線材同樣也能翻轉使用，如此一來，使用 USB 連接各種裝置變得比以往更容易。
圖 2 顯示 Type-C 接頭中的接腳指派情況。配置通道接腳「CC」支援連接偵測和 USB PD 通訊等功能。接頭裡也包含用於兩個電源的接腳。其中包括如圖所示的 USB VBUS 接腳，以及一個專用電源 VCONN，可以透過任何一個 CC 接腳供電給纜線電子裝置。這麼一來便能使用配件模式，以及使用至少五公尺長的主動纜線。
圖 2：Type-C 接腳圖 (圖片由 OFweek.com 提供)
設計 USB Type-C 互連
USB Type-C 連接埠提供的額外功能和彈性，需要複雜的接頭邏輯。
Diodes Incorporated 針對智慧型手機產品應用，開發出用於 USB 3.2 Gen 1 的 PI3DBS12212A 低損耗多工器，以及 PI3DBS12212A 配置通道感測控制器。CC 通道感測功能有助於偵測連接的各個層面，包括纜線是否為翻轉/未翻轉狀態，還有是否為筆直/扭曲狀態。
針對筆記型電腦，建議使用一個包含交叉切換器的 USB-C 控制器，以處理 Type-C 接頭的跨接功能。這個產品組合還包括一個用於主機設備的 USB-C 充電控制器，以及一個裝置端 IC，可偵測相連的充電器和提供過流與過壓保護。
此外，還有 ReDrivers™ 和切換器等 USB 2.0 及 USB 3.0 IC 產品，可用於 USB-C 產品應用。另提供一系列電源切換器與 AC-DC 轉換器產品，可簡化快速充電器和大功率 USB PD 設備的設計作業。
還要注意的是，USB-C 連接埠支援 USB 3.x 及更新版本，可以處理 DisplayPort™ 和 HDMI 訊號，因此能夠使用合適的轉接器來連接 DisplayPort 顯示器等設備。Diodes 的產品組合包括支援 USB 3.1 Gen 1 (5Gbps) 和四通道 Display Port 1.2 (5.4Gbps) 的低損耗交叉切換器，供筆記型電腦等裝置使用。
Diodes 已經為筆記型電腦、平板電腦、擴充塢、顯示器、智慧型手機、充電器和轉接器製作了許多參考設計。這些設計示範如何結合現有的 IC 產品，在主機和裝置上加入 USB-C 介面，以及如何使用 TVS 裝置來保護 USB-C 介面的每個接腳。
如需更多資訊，請瀏覽 https://www.diodes.com/protocols/usb-type-c/。
USB Type-C® 和 USB-C® 為 USB 開發者論壇 (USB Implementers Forum) 的註冊商標。
ReDriver™ 為 Diodes 公司的商標。
DisplayPort™ 與 DisplayPort™ 標誌為 Video Electronics Standards Association (VESA®) 在美國及其他國家的商標。
HDMI、High-Definition Multimedia Interface 及 HDMI 標誌是 HDMI Licensing, LLC 在美國及/或其他國家的商標或註冊商標。
