继2020年5月专为纯供电(Power-Only)应用而设计USB Type C插座面世之后,12月,升级版又已上市,节奏之快令人瞠目,标志着USB Type C进入纯供电应用时代。


USB Type C这一既支持正反盲插、大电流和大电压充电,又支持双向供电、高速传输、增强扩展的接口简直就是为便捷快充技术而生的。对于一些并不需要那么多的数据传输功能的应用,其使用方便、功率能力不断提升的特性为人们带来了一种实用的充电方案。未来,需要大功率供电的一些设备,可以用同样的线缆实现任何设备的充电和数据传输,也令只能体验到正反都能插便利的苹果Lightning(闪电)接口为之逊色不少。

 

 

快速迭代


第一款纯供电应用USB Type C连接器是UJC-HP-3-SMT-TR,它是一个6针USB Type C插座,可提供高达60 W的功率,额定电流为3 A,额定电压为20 Vdc。由于去掉了数据传输引脚,成就了其更具成本效益的设计,充电或电源是其唯一功能。


该产品采用表面贴装封装,兼容任何标准USB Type C插头,实现了通用和广泛采用的Type C连接的易接入性和简化的设计集成。这种USB Type C连接器提供回流焊接兼容性,工作温度范围为-40至80°C,可靠性高达10000次匹配循环。

 


60 W和100 W USB Type C插头外观

 


24触点USB Type C与6触点和8触点纯供电USB Type C

 

最近推出的UJC-HP-G-SMT-TR则是一款8针USB Type C,其额定电流为5 A,额定电压为20 Vdc,可提供100 W的功率。只增加2针,功率就提升了40 W,充电速度更胜一筹。

 

Type A到Type C的变迁


USB连接器是在20世纪90年代中期推出的,从那时起,其尺寸、形状、数据传输能力和功率能力都在不断发展,已成为电子设计中最流行和公认的互连组件之一。USB连接器是由三个不同但相关的标准定义的:物理连接器、数据传输协议和电源传输。从Type A到Type C,USB在物理连接器及其相关标准方面经历了一系列的变化。

 


三种典型USB接口

 

Type-A接口就是最常用的标准USB接口,其他形状的USB接口都是它的衍生物。Type-B USB接口的出镜率远没有Type-A接口高,主要用途的打印机、显示器USB HUB等诸多USB外设。通常,PC上的USB接口均为Type-A,而外设则多采用Type-B。


最后,就是全新出场的Type-C接口了,它采用最新的物理标准,拥有比Type-A及Type-B均小得多的体积,其纤薄程度甚至能与Mini-USB及Micro-USB相媲美,是最新的USB接口外形标准。另外,Type-C是一种既可以应用在PC(主设备)又可以应用在外部设备(从设备)的划时代接口类型。

 


Type-C的普及将用同样的线缆实现任何设备的充电和数据传输

 

2014年,USB 3.1标准中就已经搞定,同年USB Type C问世,2015年开始渐渐普及。它是为迄今最先进的USB迭代,它提供了一个简化的双向封装(双向可逆性)、更大的带宽、更快的数据传输速度和更高的额定功率,支持超出USB供电能力的电源传输(USB PD),能够实现高达100 W的功率传输标准,因此也在多年后成为了纯供电应用的一个有趣的选择。

 

USB Type C和USB 3.1 Gen 2


随着技术需求和能力的提高,USB标准在不断发展和完善。USB实施者论坛(USB-IF)发布的USB Type C连接器和USB 3.1 Gen 2信号标准(也称为SuperSpeed+)的规范,从USB 1.0发展到USB 3.1 Gen 2,每种标准引入了各种模式和数据传输速率。与以前的连接器标准相比,USB Type C连接器还包括许多功能增强。这些改进使工程师能够以适当的方式利用这种连接器和各种信号规格,以提高其设计中的性能。

 


USB电源传输规范

 

USB Type C连接器支持通过两对数据针中的每一个进行10 Gbps的数据传输。当按照USB-IF 2017年9月发布的USB 3.2标准中的规定使用两对数据针时,这种带宽支持将允许20 Gbps的数据传输速率。


一直专注于模拟电路和电力传输、获得7项专利的技术贡献者Bruce Rose解释说,优化的USB3.1 Gen 2规范定义了一组数据和电源信号以及这些信号的特性。但是,它不涉及与信号一起使用的电缆。还应注意,用于传输USB 3.1 Gen 2信号的电缆需要具有足够的电流、电压和信号完整性特征,以处理且不会降低USB 3.1 Gen 2信号。这也为今天推出的纯供电USB Type C连接器埋下了伏笔。


他说,虽然USB 3.1 Gen 2规范支持10 Gbps通信速率,并且USB Type C连接器适用于这些速度或超过这些速度时的信号完整性,但电缆的长度和电缆结构的质量都可能是限制通信带宽的一个因素。


至于USB Type C的安装配置,工程师可以选择两种版本的插座将连接器安装在PCB顶部(SMT)或PCB中的布线空间(中间安装)。SMT版本插座在产品设计中需要考虑PCB和连接器的高度;中间安装版本的插座允许更紧凑的设计,但没有了在连接器下放置PCB布线的可能性。

 


USB SMT和中间安装配置

 

总之,USB标准已被广泛应用于信号、连接器和电缆。而USB 3.1 Gen 2和USB Type C连接器的规格支持标准化的高速和大功率信号传输。符合标准的USB Type C插头和插座设计可以支持USB 3.1 Gen 2数据传输速率,并且随着标准的不断发展,有望突破目前的10 Gbps限制。

 

苹果也是功不可没


2020初,欧盟杠上了苹果,又一次讨论统一所有智能手机、平板电脑的标准充电端口,方案就是USB Type-C,矛头似乎指向了苹果。而从目前苹果规划来看,其MacBook和iPad会逐步转向USB Type C,iPhone最快也要到2022年。


前不久,欧盟立法机构以绝对压倒性优势通过了一项决议,旨在推动欧盟委员会采取行动,统一智能手机的充电解决方案。这意味着苹果在欧洲地区的产品销售方面必须要做点什么,以解决当前的接口争议。


目前最新的iPad Pro和平板电脑已使用USB Type C接口,但是iPhone依旧使用Lightning接口,目前只提供Lightning到USB Type C的转接线。欧盟的这一举动势必会影响到苹果的设备在欧洲地区的销售。

 


iPhone Lightning痴心未改

 

其实,苹果与USB Type C早已结下了不解之缘。


·2015年,苹果就发布了首款支持29 W USB PD快充的New MacBook,它是全球第一台采用USB Type C接口的笔记本。随机标配的29 W USB Type C充电器在当时已算得上“大功率”了。


·2017年,新款New MacBook的充电器升级到30W,支持5V 3A、9V 3A、15V 2A、20V 1.5A等规格,可以说是全面升级。


·2019年,苹果新款MacBook Pro 16寸笔记本替代了原来最大功率87W的PD充电器,配备了更大功率的96W USB Type C电源适配器。这一举措为第三方配件厂商带来了无限商机,纷纷开辟全新快充产品线,推动了大功率USB PD快充在笔记本中的普及。

 

苹果在笔记本采用USB Type C方面也算不遗余力。只是iPhone还是有所顾虑。苹果是USB-IF的核心会员之一,参与了USB PD2.0、USB PD3.0等充电标准的制定,并且在USB Type C配件方面没有单独加密纳入MFi(Made For iPhone)体系,避免了快充标准的碎片化,维护了USB Type C生态链的完整性,这点行业有目共睹。

 

行业已有共识:未来5年内,USB Type A和USB Type C将会是主流充电接口,而未来十年,所有接口都将被USB Type C口取代,一个USB Type C充电器就能解决手机、笔记本电脑、相机、剃须刀等一切电子产品的充电问题。而面对大势所趋,苹果iPhone更换USB Type C接口是早晚的事。


值得一提的是,相比手机充电接口,笔记本DC电源接口标准诸侯割据才是行业的悲哀,转向USB Type C迫在眉睫。

 


笔记本DC电源接口亟待统一

 

USB Type C带来的机遇


基本上,USB Type C标准只代表了当今手机和笔记本电脑等电子产品中的物理连接器,而USB 3.2等数据传输协议只涉及电信号。这些标准彼此相当同义,不过,设计者可以在他们的系统中使用像USB 3.2这样的数据传输协议,同时实现与任何物理USB连接器标准无关的专有连接器。


类似的逻辑也适用于USB PD规范。如USB PD 3.0标准中所定义的,USB Type C连接器支持高达5 A的额定电流和20 Vdc的额定电压,可以提供高达100 W的功率。虽然两者经常在一起,但电源传输规范实际上是由充电电路控制的,且仅受物理USB Type C连接器的电压和电流额定值的限制。然而,正是USB Type C更高的功率能力为其在电力传输领域创造了新的机遇。

 

USB Type C供电更具优势


标准的24触点USB Type C连接器支持高达100 W的电源传输,但其16个触点是用来传输数据的,另有4个电源触点和4个接地触点。事实上,许多应用都需要大量的电力,却不需要数据传输。这时,USB Type C就成了取代标准直流电源连接器一个有吸引力的选择,也为工程师提供了可能感兴趣的解决方案。


USB连接器无处不在,使用USB作为电源传输方法的最大好处是标准化。而USB Type C作为许多电子设备中的通用连接器,也不断迎来发展机遇。上面说过,欧盟已经在推动将Type C连接器作为在其成员国销售的所有设备的标准。不可低估的是,只需要一根现成的电缆就可以连接到各种各样的设备,从而为最终用户提供了极大的便利。


CUI Devices工程副总裁Jeff Smoot认为:“在许多不同产品中使用单一的现成电缆类型的便利性对最终用户来说是极其诱人的。但最终用户并不是唯一受益的人,因为由于USB的广泛使用,OEM也可以进入稳定的供应链,而其标准化提供了一定程度的互操作性和简化的设计集成。USB Type C连接器还具有比大多数直流电源连接器更小的占位面积,匹配周期额定值高达10000次,鲁棒性和可靠性可见一斑。”

 

成本、复杂性和故障率走低


去掉16个数据传输触点的USB Type C连接器简化了设计,不仅降低了零件成本,而且降低了复杂性和故障率,减少了可能发生故障的触点和焊点。虽然不能用于传输数据,但它可以与传输数据和电源的任何标准USB Type C电缆配合使用,因此最终用户在与产品交互时不需要额外的步骤或硬件。


也许有人认为,因为这些连接器不传输数据,他们只需要一个特殊的仅限于供电的USB Type C电缆。但事实并非如此,因为它们可以用任何标准的数据+电源USB Type C电缆进行连接,因为没有额外的硬件或功能要求,这进一步增加了便利性。
需要注意的是,没有了数据传输触点,则不会发生USB 3.0电源协商过程。这意味着充电设备将默认为5 V和1 A的USB标准电源传输速率。对于所有其他情况,纯供电USB Type C连接器的功能将像任何其他电源插座一样,由适配器/充电电路来控制充电。

 

其他功率考虑因素


USB Type C连接器已经在许多应用中找到了归宿,但是DC电源连接器和其他专用电源连接器仍然有它们的用途。首先,由于USB Type C连接器的硬上限为100W,因此不适合需要超过100W的设计。USB Type C的标准化封装外形也提供了一系列优点,但如果设计需要其他封装外形或封装尺寸,则可能会受到限制。简单地说,如果需要一个更高度定制的解决方案,USB Type C可能会受到其标准化(占用空间、大小和规格)的限制。

 

USB Type C将逶迤前行


USB Type C连接器和电源传输标准为电源管理和传输开辟了一条新途径。虽然不是最终解决方案,但其强大的功能和全球标准化使其成为许多不同产品的最佳选择。


纯供电USB Type C插座具有成本低,设计集成简单,在供电是唯一功能的情况下,为设计师提供了更多的供电选择。


删繁就简,纯供电USB Type C将加快其在更多应用中的普及,必将普惠众生!