USB發(fā)展歷史

USB的全名為Universal Serial Bus， 最初是由英特爾與微軟公司倡導(dǎo)發(fā)起，其最大的特點是支持熱插入（Hot plug）和即插即用（Plug&Play；PnP）。當(dāng)裝置插入時，主機(jī)端尋找到此裝置并加載所需的驅(qū)動程序，因此使用上遠(yuǎn)比其他總線方便。

USB 速度比并列埠（Parallel Port）與串行埠（Serial Port，如 RS-232）等傳統(tǒng)計算機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)總線快上許多。原標(biāo)準(zhǔn)中USB 1.1 的最大傳輸帶寬為 12Mbps，USB 2.0 的最大傳輸帶寬為 480Mbps。2008年推出的USB 3.0更從480Mbps提升到4.8Gbps以上。近期發(fā)表的USB 3.1的最大傳輸帶寬更是USB 3.0的兩倍高達(dá)10Gbps。請參閱表1 USB發(fā)展歷史。

世代	最大傳輸	USB世代名稱	供電能力	推出時間
USB 1.0	1.5 Mbps	Low Speed	500 mA	1996年1月
USB 1.1	12 Mbps	Full Speed	500 mA	1998年9月
USB 2.0	480 Mbps	High Speed	500 mA	2000年4月
USB 3.0	5 Gbps	Super Speed Gen1	900 mA	2008年11月
USB 3.1	10 Gbps	Super Speed Gen2	900 mA	2013年8月

表1：USB發(fā)展歷史

號稱接口之王的USB，已經(jīng)在電子業(yè)界立下無法取代的地位。相信沒有人可以準(zhǔn)確的說出全世界有存在多少USB端口。分析師說，估計每年至少有超過20億個擁有USB端口的裝置出貨，這個數(shù)字可以說是相當(dāng)驚人的。表1：USB發(fā)展歷史

回顧USB的發(fā)展史，USB 1.0規(guī)范于1996年剛確立時，其實難以吸引外圍與裝置制造商的青睞，因為USB 1.0規(guī)范只定義了1.5 Mbps的傳輸速度，在數(shù)據(jù)通信上難以實現(xiàn)使用者所需要的效率。而在當(dāng)時的Fast SCSI，已經(jīng)能支持到10 Mbps的范圍。甚至當(dāng)時另一熱火的IEEE 1394a傳輸界面（蘋果計算機(jī)稱為Firewire），傳輸速度也高達(dá)400 Mbps。于是為了提升競爭力，英特爾在2000年的時候推出了USB 2.0 HS（High Speed），傳輸提高至480 Mbps。圖1為USB 2.0 High Speed Logo。

 

圖1：USB 2.0 High Speed Logo（圖來自USB.org）

USB在2008年公布了USB 3.0的規(guī)范，傳輸速度高達(dá)5 Gbps。到了USB 3.0的時代，被稱為SS（Super Speed）。從推出至今，USB 3.0已經(jīng)成為最普及的主流接口，充分的被運用在各式外接市場上，如：外接式硬盤、固態(tài)硬盤（SSD）、DVD播放器…等。圖2為USB 3.0 Super Speed Logo。

 

圖2：USB 3.0 Super Speed Logo（圖來自USB.org）

USB的重大變革─Type-C推出

面對其他高速接口的挑戰(zhàn)，USB到了2013年也推出USB 3.1新規(guī)格，支持高達(dá)10 Gbps的傳輸速度，并更名為USB 3.1 Super Speed Gen 2，而原本支持 5 Gbps的USB 3.0則稱為USB 3.1 Super Speed Gen 1。圖3為USB 3.1 Super Speed Gen 2 Logo.

 

圖3：USB 3.1 Super Speed Gen 2 Logo（圖來自USB.org）

Type-C規(guī)格于2014年8月公告，雖然被包含在USB 3.1的規(guī)格里，但是其實Type-C仍然有USB 2.0的規(guī)格。下列為Type C四大特點：

1. 較小的尺寸：在尺寸上與現(xiàn)有USB 2.0 Mirco-B相似。

2. 電源充電：Type-C將支持更高的電源充電能力。

3. 可擴(kuò)展性：Type-C的設(shè)計將支持未來USB的性能。

4. 可用性：支持正反面都可插入，使用者將不再需要分辨正反面，更容易將接口插入。

Type C最終版的尺寸約8.4mm x 2.6mm，比USB 2.0的Micro-B稍大。其充電能力本身支持到15W，同時也支持USB Power Delivery規(guī)格，最高將支持到100W的供電能力。在傳輸速度上，除了支持現(xiàn)有USB 3.1 Super Speed Gen 2的10 Gbps之外，也預(yù)期將能支持到后續(xù)更高的傳輸速度（如USB 4）。使用上支持正反可插（如蘋果計算機(jī)的Lightning接口），更可擴(kuò)大適用于平板電腦、智能手機(jī)等輕薄型便攜設(shè)備，因此格外受到市場期待。

Type-C的連接器設(shè)計，與以往的USB連接器有很大不同，采用了上下排同時存在端子的型式。板端的連接器（Receptacle）只有唯一的一種型式，為24支端子的設(shè)計。在板端連接器的界面上，則有Vertical、Right Angel、Mid-Mount等形式。端子腳的形式也分別有Dual-Row SMT、Hybrid等形式。而在線端的連接器（Plug）則有兩種設(shè)計，分別為支持高傳輸速度的Full Featured版本與USB 2.0版本兩種。由于Type-C為上下排端子設(shè)計，因為在線纜加工上，必須在Plug尾端進(jìn)行Paddle Card連接，芯線才加工在Paddle Card上。同時協(xié)會也定義了，若Type-C線纜要支持3A以上的供電能力時，必須有USB Type-C Electronically Marked來注記。在線纜規(guī)格的部份，主要有下列三大項：

1. 標(biāo)準(zhǔn)Type-C線纜

2. 傳統(tǒng)USB線纜

3. 傳統(tǒng)USB轉(zhuǎn)換器

標(biāo)準(zhǔn)Type-C線纜中，有USB Full Featured Type-C線纜與USB 2.0 Type-C線纜兩種規(guī)格。

傳統(tǒng)USB線纜中，有分USB 3.1與USB 2.0兩種規(guī)格。USB 3.1規(guī)格中定義了：USB Type-C to USB 3.1 A線纜、USB Type-C to USB 3.1 B線纜、USB Type-C to USB 3.1 Micro-B線纜等3款。USB 2.0規(guī)格里頭定義了：USB Type-C to USB 2.0 A線纜、USB Type-C to USB 2.0 B線纜、USB Type-C to USB 2.0 Mini-B線纜、USB Type-C to USB 2.0 Micro-B線纜等4款。

傳統(tǒng)USB轉(zhuǎn)換器中，有USB Type-C to USB 3.1 Receptacle轉(zhuǎn)換器與USB Type-C to USB 2.0 Micro-B Receptacle轉(zhuǎn)換器兩種。圖4為Type-C Plug外形。

圖4：Type-C Plug外形（圖來自Type-C 1.0規(guī)格）

在測試規(guī)格上，Type-C的測試有下列幾項主要的要求：

1. 結(jié)構(gòu)測試：Type-C主要應(yīng)用在手持裝置上，所以與USB Micro-B一樣，需要耐插拔1萬次的高壽命。插入力與拔出力也與原始USB其他Type有所不同，Type-C的插拔力為5~20N，拔出力為8~20N。同時必須進(jìn)行線纜彎曲試驗與線纜拔出試驗，如Micro-B一樣，Type-C也必須進(jìn)行4軸向測試。

2. 電氣測試：在低階額定電阻（LLCR）的測試上也有改變，初始值從原本的30mΩ變成40mΩ。除此之外，Type-C必須進(jìn)電流溫升測試，在Vbus端子給予5A的電流，且在Vconn端子給予1.25A的電流，溫度的變化量不能超過30ºC。

3. 環(huán)境測試：與USB 3.0要求相同，遵照EIA 364-1000.01規(guī)范運行環(huán)境測試。

4. 電鍍要求：與USB 3.0要求相同。

5. 高頻測試：Type-C的規(guī)范與以往USB規(guī)范最大不同處，在于Type-C針對板端連接器也定義出一連串的高頻測試要求，Type-C板端連接器與標(biāo)準(zhǔn)Type-C線纜高頻測試要求如表2（傳統(tǒng)USB線纜的測試要求則不同）。

 

表2：Type-C板端連接器與標(biāo)準(zhǔn)Type-C線纜高頻測試要求

 

上述的高頻測試完成后，還有5項參數(shù)必須透過USB協(xié)會所公告的公式進(jìn)行換算，才能得知此Type-C線纜是否符合協(xié)會的要求：

1. ILfitatNq（Insertion Loss fit at Nyquist frequency）

2. IMR（Integrated Multi-Reflection）

3. INEXT（Integrated Near-end Crosstalk）

4. IFEXT（Integrated Far-end Crosstalk）

5. IRL（Integrated Return Loss）

有鑒于各測項上皆涉及精密的高頻訊號、機(jī)械特性、電氣性能以及環(huán)境變化等類別的測試與驗證，廠商在認(rèn)證測試時亟需專業(yè)實驗室的協(xié)助與咨詢。協(xié)會正式授權(quán)的實驗室能夠提供專業(yè)的技術(shù)支持及設(shè)備儀器，以完整重現(xiàn)這些產(chǎn)品在真實世界中可能遭遇的種種狀況，并指出問題風(fēng)險所在，確保產(chǎn)品符合質(zhì)量要求、完美展現(xiàn)功能需求。

因為USB 3.1開始要求到10 Gbps的傳輸速度，所以在線材屏敝（Shielding Effectiveness Requirements）問題上也格外受到重視。線材屏敝的好壞將影響到EMI與RFI，所以USB協(xié)會針對線材屏敝的測試也定義了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試要求，如圖5所示為線材屏蔽設(shè)測環(huán)境：

 

圖5：線材屏蔽設(shè)測環(huán)境（圖來自Type-C 1.0規(guī)格）

 

Type-C的后續(xù)發(fā)展

Type-C的發(fā)展始終受到業(yè)界觀注，歐盟也將在2017年統(tǒng)一所有手機(jī)充電器的規(guī)格，并要求在手持裝置上的連接器必須一致。目前充電接口還未采用USB規(guī)格的蘋果陣營格外受到關(guān)注，而這就是為何市場分析師預(yù)期Type-C將能在iOS與Android兩大陣營的大力支持下，加速切換的腳步，啟動新一代USB接口規(guī)格世代交替潮。

另一個Type-C連接器的主要目標(biāo)，是希望能取代現(xiàn)有的USB 2.0 Micro-B連接器，做為各式行動裝置的標(biāo)準(zhǔn)傳輸線規(guī)格。過去USB 2.0 Micro-B連接器，被許多智能型手機(jī)等行動裝置采用，但到了USB 3.0時代，雖然傳輸速度大幅提升，但礙于USB 3.0 Micro-B連接器的寬度超過USB 2.0的兩倍，對于輕薄化要求高的智能型手機(jī)而言太寬，因此少有智能型手機(jī)大廠采用USB 3.0 Micro-B連接器。USB協(xié)會希望能透過推出新一代Type-C連接器，來統(tǒng)一行動裝置的傳輸線規(guī)格。期望Type-C能成為所有裝置在數(shù)據(jù)、電力、影音傳輸上都可通用的唯一接口標(biāo)準(zhǔn)。

唯一可惜之處是，USB Type-C與現(xiàn)行USB端口并不兼容，若是在舊有的手機(jī)或是計算機(jī)上使用，得配上轉(zhuǎn)換器才可使用。目前在市場上尚未出現(xiàn)已搭配USB 3.1端口的裝置，但按照以往USB規(guī)格普及的速度，相信不久的未來，消費者們就可以見識并體驗到USB Type-C帶來的便利。

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