回顧USB發(fā)展史的輝煌

中國(guó)又完成了一次人類歷史上規(guī)模最大的遷徙過(guò)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(shí)的出行時(shí)間后移了，但到達(dá)時(shí)間卻沒(méi)有后移，這也就意味著同時(shí)在途的人增加了，而每個(gè)人的在途時(shí)間卻縮短了，旅途再也不是那么勞累了，這對(duì)提高中國(guó)人的幸福感自然會(huì)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(guó)。

高鐵的設(shè)計(jì)與早期的鐵路設(shè)計(jì)有巨大的不同。首先，它是雙向運(yùn)行的，兩列火車可以相向而行，不用在某個(gè)地方停下來(lái)等對(duì)方車輛通過(guò)之后再走。其次它是高速運(yùn)行的，比早期的火車速度高了若干倍。這些優(yōu)勢(shì)的出現(xiàn)大大縮短了兩地之間的時(shí)間距離，使過(guò)去看來(lái)遙不可及的兩地變得很近很近，運(yùn)行效率大大提高，這對(duì)國(guó)計(jì)民生的改善自然會(huì)有極大的幫助。

關(guān)心軍事裝備發(fā)展的人應(yīng)該會(huì)注意到美國(guó)最新最強(qiáng)大的福特號(hào)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(guó)家的全部軍力。同時(shí)，據(jù)美國(guó)媒體《華盛頓自由燈塔》網(wǎng)站最近報(bào)道，說(shuō)中國(guó)在最近試驗(yàn)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(guò)高鐵的運(yùn)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(gè)地方停下來(lái)就進(jìn)入戰(zhàn)斗狀態(tài)，處處都可以是發(fā)射陣地，這將使中國(guó)保衛(wèi)自己的能力越來(lái)越高，可以更有效地防范外來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)，確保國(guó)家的長(zhǎng)治久安。

在我看來(lái)，USB的進(jìn)化與鐵路的進(jìn)化是有得一比的。

2.0版本以前的USB就像過(guò)去的單線鐵路一樣，上行和下行的數(shù)據(jù)是通過(guò)同一條線路進(jìn)行傳送的，當(dāng)兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)量都很大的時(shí)候，交通擁堵的狀況是不堪忍受的。我在整理自己的移動(dòng)硬盤的時(shí)候有一種很自然的反應(yīng)就是直接將一個(gè)硬盤上的文件移動(dòng)到另一個(gè)硬盤上，但我?guī)缀趺看芜@么做了之后都會(huì)后悔，因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦很快就會(huì)告訴你還有幾十分鐘甚至是以小時(shí)計(jì)的時(shí)間需要等待，這個(gè)時(shí)候的電腦顯示的數(shù)據(jù)在移動(dòng)的動(dòng)畫也變得如同烏龜在爬。面對(duì)這樣的狀況，如果你沒(méi)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(chǎng)合有兩個(gè)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(shí)候就不得不放棄了。

USB在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候?qū)鬏數(shù)钠焚|(zhì)是有分級(jí)的。對(duì)于流媒體，如語(yǔ)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(cuò)誤也不會(huì)去管它，系統(tǒng)只管將能夠使用的數(shù)據(jù)利用起來(lái)，丟失和錯(cuò)誤的部分就不要了，因?yàn)檫@可以依靠我們的大腦來(lái)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)充或是說(shuō)彌補(bǔ)，因?yàn)槲覀兊拇竽X可以在沒(méi)有獲得全部信息的情況下利用已有信息來(lái)做此工作。但在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，就像我說(shuō)的文件移動(dòng)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(cuò)，系統(tǒng)就需要根據(jù)一定的算法進(jìn)行錯(cuò)誤糾正，如果糾正失敗，那就需要要求重發(fā)。如果整個(gè)過(guò)程都沒(méi)有錯(cuò)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(gè)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)本來(lái)應(yīng)有的東西，但是這些措施的存在自然是會(huì)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(gè)速度還被定義為高速，但落實(shí)到具體的應(yīng)用中，實(shí)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(wèn)世，它的總線結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)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(shí)并存。為了同時(shí)滿足兩個(gè)通道的需求，其電纜的規(guī)格也得到了加強(qiáng)，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(lái)的，它們按照USB 2.0以前的規(guī)格運(yùn)作。標(biāo)注為SSTX+/-和SSRX+/-的兩對(duì)線就是為全新的規(guī)格準(zhǔn)備的了，從這個(gè)圖上就可以看出來(lái)，這兩對(duì)線是單向傳輸?shù)摹Ｔ谂f的標(biāo)準(zhǔn)中，兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)不得不分時(shí)在線上傳輸，其數(shù)據(jù)吞吐量自然會(huì)受影響。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單向傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)碼速率的定義是5Gbps，這個(gè)速度被稱為SuperSpeed（我把它翻譯為超速），以便和原來(lái)使用的Low-Speed(1.5Mbps)、Full-Speed(12Mbps)和High-Speed(480Mbps)區(qū)別開來(lái)。超速信號(hào)的傳輸和舊的方法不同，在其發(fā)送端，信號(hào)通過(guò)電容以交流耦合的形式被驅(qū)動(dòng)器送到傳輸線上。

高達(dá)5Gbps的信號(hào)在電纜上傳輸，可能帶來(lái)的EMI問(wèn)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(lái)，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(lái)的，這個(gè)屏蔽層就需要與連接器的金屬外殼連接起來(lái)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(hào)傳輸?shù)?，兩?duì)SDP Signal Pair就是用于超速信號(hào)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(huì)高很多。實(shí)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(shí)保持和原有USB連接器的兼容，這無(wú)疑是增加了設(shè)計(jì)的難度，但是，這些都成了現(xiàn)實(shí)。

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(jí)，原有的Mini系列的連接器沒(méi)有再出現(xiàn)，但是新增了一個(gè)Powered-B型連接器。利用新增加的Powered-B型連接器，它容許一臺(tái)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(dá)此目的，Powered-B型連接器又多出了兩個(gè)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(gè)最終產(chǎn)品的使用者的角度來(lái)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(lái)的部分所示（這是機(jī)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(jī)器內(nèi)部的板子上的。虛線圍起來(lái)的部分的標(biāo)識(shí)如下：

其中標(biāo)識(shí)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(gè)角度來(lái)看，這些端子的平面位置關(guān)系展示如下：

再換個(gè)角度，你看到的就會(huì)是這個(gè)樣子：

要看懂上面的圖，你是需要有一點(diǎn)機(jī)械制圖的知識(shí)的。沒(méi)有相關(guān)知識(shí)的人可以看下圖：

這個(gè)圖可以被認(rèn)為是一張照片了，它同時(shí)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(méi)有辦法透過(guò)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(lái)深入了解的，從這一點(diǎn)你可以了解工程人員表達(dá)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(shí)USB 3.0接口的方法，但它不是強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，只是一種建議，也正因?yàn)檫@只是一種建議，我的筆記本電腦上的USB 3.0接口就沒(méi)有這種顏色標(biāo)識(shí)，而我的另外一臺(tái)USB集線器就采用了這種方法。
既然用顏色來(lái)標(biāo)識(shí)USB 3.0接口只是一個(gè)建議，那么一個(gè)消費(fèi)者怎樣識(shí)別一個(gè)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(shí)際表示的是“這是一個(gè)SuperSpeed的USB接口”。當(dāng)然了，其中的細(xì)線和文字不屬于標(biāo)識(shí)符的內(nèi)容，它們是用于說(shuō)明其制作標(biāo)準(zhǔn)的信息。作為實(shí)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(shí)，如果你看到的標(biāo)識(shí)沒(méi)有SS符號(hào)而是被圓點(diǎn)代替了，則表示那還是USB 2.0以前的規(guī)格。

對(duì)于其它的幾種插座和插頭的設(shè)計(jì)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(gè)電源工程師的立場(chǎng)來(lái)看USB 3.0，大概會(huì)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(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)自然是個(gè)福音，這對(duì)USB 3.0發(fā)布的時(shí)間來(lái)說(shuō)可能是合適的，但對(duì)當(dāng)前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(gè)單位的電流負(fù)載，而900mA被稱作6個(gè)單位電流負(fù)載。

作為一個(gè)電源工程師，我們會(huì)非常關(guān)心電源的安全問(wèn)題。在各種電源的安全規(guī)格中，短路保護(hù)可能是最重要的一個(gè)，因?yàn)檫@是最容易發(fā)生的事情。

看看USB的插座你就會(huì)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(huì)造成兩者之間的短路。一個(gè)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(gè)能力通常會(huì)受到設(shè)計(jì)上的限制以便保護(hù)電源系統(tǒng)。但是，電源輸出端一旦短路，輸出電壓就肯定無(wú)法維持了，它只會(huì)根據(jù)造成短路的線路的阻抗結(jié)合流過(guò)的電流而形成一定的電壓，通常這會(huì)是一個(gè)很低的值。所以，如果這個(gè)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(shí)不能保持正常工作就是必然的，這意味著系統(tǒng)很可能會(huì)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(jì)者可以選用帶有限流保護(hù)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(guò)VIN接入RT9742，在EN使能端有效以后VOUT就會(huì)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(guò)大，它就會(huì)進(jìn)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(huì)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(shí)，其內(nèi)部開關(guān)會(huì)因過(guò)熱而關(guān)閉，輸出端得不到電流的補(bǔ)充，故障也就變得沒(méi)有意義了。

內(nèi)部開關(guān)關(guān)閉以后的RT9742會(huì)因?yàn)闆](méi)有功耗而導(dǎo)致其溫度逐漸下降，下降到一定程度時(shí)就會(huì)重啟其輸出。此后，如果故障問(wèn)題已經(jīng)消除，則工作就進(jìn)入正常狀態(tài)。如果故障依舊，上述的保護(hù)過(guò)程就會(huì)重復(fù)進(jìn)行。

RT9742的FLG端子是一個(gè)開漏輸出端，當(dāng)負(fù)載正常時(shí)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(guò)流狀況發(fā)生，其內(nèi)部與GND導(dǎo)通，其電壓為0V。因此，這個(gè)端子可被當(dāng)作故障指示信號(hào)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(guò)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(hào)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(hào)的極性也是可選的（高/低），可以分別滿足不同應(yīng)用場(chǎng)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(huì)因不同的電流帶來(lái)一定的壓降，這是設(shè)計(jì)者需要注意的。對(duì)于RT9742來(lái)說(shuō)，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(jì)者可以選用倒裝結(jié)構(gòu)的封裝以獲得最佳性能。