USB連接器和電纜的廣泛概述

USB連接器和電纜的廣泛概述

USB是一種連接電腦與設(shè)備的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括個人電腦和移動設(shè)備等產(chǎn)品之中。這個擁有悠久歷史的接口，標(biāo)準(zhǔn)仍在持續(xù)演進(jìn)，已經(jīng)成為相當(dāng)普遍的通信標(biāo)準(zhǔn)。本文將為您簡介USB接口、USB整體的發(fā)展歷程，并介紹由CUI Devices推出的USB Type C連接器產(chǎn)品線。

USB已經(jīng)成為當(dāng)今主要信號傳輸技術(shù)

USB是通用串行總線的縮寫，所謂的“總線”是一種電路布置或通信系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)中的組件之間傳輸數(shù)據(jù)。在這種情況下，“串行”總線通過單根導(dǎo)線一次一位地傳輸數(shù)據(jù)。然而，USB連接器可以在組件之間傳輸?shù)牟粌H僅是數(shù)據(jù)，它也可以用于傳輸電力，并且可以容納許多不同的硬件設(shè)備，從打印機(jī)和鍵盤到手機(jī)和閃存驅(qū)動器。

在開發(fā)USB協(xié)議之前，電腦同時使用串行和并行端口來完成數(shù)據(jù)傳輸，各個設(shè)備使用各種專有插頭、連接器、電纜、擴(kuò)展卡和必要的驅(qū)動程序。數(shù)據(jù)傳輸速率很慢，并行端口的運行速度約為每秒100 kB，串行端口的運行速度為每秒115至450 kb。

USB 1.0規(guī)范于1996年初首次亮相，經(jīng)過相關(guān)公司聯(lián)盟的大量工作，最初可以以每秒1.5 Mbit的低速和每秒12 Mbit的全速傳輸數(shù)據(jù)。隨著2000年USB 2.0以每秒480 Mbit的速度發(fā)布，以及2008年USB 3.0以每秒4.8 Gbps的速度發(fā)布，傳輸速度進(jìn)一步提高。之后USB 3.2取代了3.1和3.0標(biāo)準(zhǔn)，速度高達(dá)20 Gbps，是目前最常用的標(biāo)準(zhǔn)。目前最新版本是于2019年發(fā)布的USB4，傳輸速度高達(dá)40 Gbps，并且正在慢慢被引入使用于各種設(shè)備之中。

多年來，USB標(biāo)準(zhǔn)一直由USB-IF組織所指導(dǎo)和認(rèn)證，該論壇擁有700多家成員公司。多年來，USB-IF的工作促成了一系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，規(guī)格的傳輸速度越來越快。通過小型且廉價的USB接口來提高速度和視頻分辨率，使USB連接器成為當(dāng)今世界使用的主要信號傳輸技術(shù)。

多樣化USB物理外形滿足不同需求

USB連接器有多種類型或物理外形規(guī)格可用于各種應(yīng)用，包括：

* Type A：這是最原始的、最常見的USB連接器，也稱為USB標(biāo)準(zhǔn)A型，它用于將下游外圍設(shè)備連接到主機(jī)設(shè)備。平坦的矩形形狀通過摩擦固定到位，以便于插入和移除。它在其中一個引腳上提供5 V直流電源，并與所有類型的USB協(xié)議兼容。

* Type B：Type B連接器最常用來與USB電腦外圍設(shè)備相連接。這個連接器是方形的，頂部有稍微傾斜的角，與Type A一樣，它通過摩擦固定到位。它的開發(fā)是為了允許連接外圍設(shè)備，而沒有造成將兩臺主機(jī)相互連接的風(fēng)險。這種連接器類型目前仍在使用，但微型版本更為普遍。

* USB Type C：這是最新的USB接口，具有可逆對稱設(shè)計，可以任意一側(cè)朝上插入，并且可以使用電纜的任一端插入任何USB-C設(shè)備。它可以傳輸U(kuò)SB 3.2（以前的3.1和3.0）、2.0和1.1信號，并且可以高達(dá)20 Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，雙向功率傳輸高達(dá)100 W（可通過USB PD 3.1擴(kuò)展到240 W），并且可以支持DisplayPort視頻和四聲道音頻。Type C還支持USB4和Thunderbolt，Thunderbolt是一種硬件接口，允許將外圍設(shè)備連接到電腦，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)40 Gbps。

* Micro與Mini A及B型：這些是Type A和Type B連接器的小型版本，提供物理上更小的連接，同時保持480 Mbps的高速傳輸速率和移動（OTG）功能，允許移動設(shè)備和其他外圍設(shè)備充當(dāng)USB主機(jī)。

* USB Type AB：這種連接器則允許Micro A和Micro B插頭連接到這種單一插座類型，以提供更大的靈活性。

各種類型的USB連接器只能與其關(guān)聯(lián)的公頭或母頭連接器配對，并沒有交叉兼容性。雖然連接器本身是標(biāo)準(zhǔn)的，但使用它們的外殼可以根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行顯著更改，這導(dǎo)致了IP等級（入口保護(hù)）USB連接器的開發(fā)，這些連接器能夠提供強大的保護(hù)，防止固體或液體侵入惡劣環(huán)境中使用的設(shè)備。

大多數(shù)USB電纜組件的一端也有一種類型的連接器，另一端有不同類型的連接器，Type A到Type B或Type C非常常見，由于Type C專門設(shè)計為可互換，因此Type C更常見于電纜的兩端，并且隨著Type C端口被更廣泛地采用，其使用量也正在逐漸增加。USB 3.0 Micro B插頭則具有更寬的連接以適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但不能與USB 2.0 Micro B插座一起使用。但是，帶有USB 3.0 Micro B端口的設(shè)備可以與較舊的USB 2.0 Micro B型公插頭配對。

當(dāng)將USB連接器納入設(shè)計時，還需要注意的是，一些地區(qū)正在引入法規(guī)，要求新電子設(shè)備必須使用USB Type C連接器作為充電電纜。例如，歐盟已宣布移動設(shè)備的充電器必須在2024年采用USB Type C，筆記本電腦也將在2026年緊隨其后。這意味著在歐盟銷售的所有移動設(shè)備都將使用相同類型的充電器，有利于環(huán)境和感到沮喪的消費者。

持續(xù)演進(jìn)更快速的USB通信標(biāo)準(zhǔn)

USB通信標(biāo)準(zhǔn)定義了所用設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度、握手協(xié)議和電源規(guī)格。多年來，該標(biāo)準(zhǔn)有了重大改進(jìn)，數(shù)據(jù)傳輸速度從每秒1.5 Mbit的USB 1.0到速度高達(dá)20 Gbps的USB 3.2，再到現(xiàn)在速度高達(dá)40 Gbps的USB4，每個后續(xù)版本都促進(jìn)了新一輪的互連硬件。

USB通信標(biāo)準(zhǔn)因頻繁的追溯命名更改而令人困惑，但目前USB 3.2是最容易獲得的USB標(biāo)準(zhǔn)，它與Type A和Type C連接器兼容，盡管它可以從5 Gbps到20 Gbps不等。然而，正如許多安裝的情況一樣，不同的版本經(jīng)常在同一個系統(tǒng)中使用。如果使用較新USB版本和舊版本的設(shè)備正在通信，它們將默認(rèn)使用舊版本和速度。這是軟件的功能，但與標(biāo)準(zhǔn)的兼容性也與硬件有關(guān)。

所有Type C連接器都與USB 3.2兼容，但某些Type C連接器仍符合早期標(biāo)準(zhǔn)。Type A和Type B取決于電纜，不同的連接器顏色通常表示不同的版本以供快速參考。在查看物理連接器標(biāo)準(zhǔn)和通信標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系時，經(jīng)常會出現(xiàn)混淆。

依據(jù)原始標(biāo)準(zhǔn)，USB連接需要主機(jī)。Type A連接器通常表示為主機(jī)設(shè)備，而Type B通常連接到外圍設(shè)備。使用USB OTG（On The GO）時則沒有此要求。USB OTG是一種允許USB設(shè)備（如智能手機(jī)）充當(dāng)主機(jī)，允許連接其他USB設(shè)備的規(guī)范?；旧?，它允許USB設(shè)備在不需要電腦的情況下從其他設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

USB供電規(guī)范的進(jìn)展

USB標(biāo)準(zhǔn)最初是一種數(shù)據(jù)接口協(xié)議，用于簡化設(shè)備之間的互連，并提供了一些電力。如今，它已經(jīng)從提供有限電力的數(shù)據(jù)接口，發(fā)展成為包括數(shù)據(jù)接口在內(nèi)的重要電力管道，許多設(shè)備現(xiàn)在能夠通過USB連接充電或接收電力。

眾多廠家們齊心協(xié)力使電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)化，并以USB電力傳輸（USB PD）標(biāo)準(zhǔn)的形式增加功能集。當(dāng)使用Type C時，USB PD可以提供高達(dá)20 V的可變電壓和高達(dá)5 A的最大電流，總功率傳輸限制高達(dá)100 W。在2021年發(fā)布的USB PD 3.1標(biāo)準(zhǔn)，則已將功率傳輸能力擴(kuò)展到240 W。此外，功率方向不再固定，不僅可以從主機(jī)或外設(shè)供電，還可以跨多個外設(shè)優(yōu)化電源管理。

USB PD需要數(shù)字設(shè)備握手才能達(dá)到這些更高的額定值，如果缺乏必需的芯片且不能實現(xiàn)握手，系統(tǒng)將恢復(fù)為5 V/1 A標(biāo)準(zhǔn)。這與USB版本和類型無關(guān)，但需要類型來支持USB PD標(biāo)準(zhǔn)。例如，支持2.0及更新版本的Type A轉(zhuǎn)Type C電纜可以使用PD功能。

PD還可以與不傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備一起使用，純粹利用USB供電。它確實需要單獨的通信線路來進(jìn)行電源協(xié)商，因此設(shè)計和制造比許多非USB格式稍微復(fù)雜一些。PD創(chuàng)建了一個跨大量設(shè)備的充電標(biāo)準(zhǔn)，簡化和整合了充電器，這一事實可以抵消這種復(fù)雜性，可以減少電子垃圾和不同設(shè)備需要多條電纜的不便。

USB應(yīng)用不斷擴(kuò)展到各種電子設(shè)備

通過提供小尺寸、易于設(shè)計和使用、高通信速度以及增強的功率傳輸，USB連接器可用于非常廣泛且不斷增長的應(yīng)用，像是臺式電腦和筆記本電腦、磁盤驅(qū)動器、打印機(jī)、掃描儀、游戲手柄和控制器、攝像機(jī)、手機(jī)、智能電視、游戲機(jī)等。對一些不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，USB連接器也可以單獨用于為可充電手電筒、充電板和許多其他便攜式消費設(shè)備等供電。

最新USB標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)健性和速度也開辟了更多應(yīng)用，它現(xiàn)在具有帶寬、可靠性和功率傳輸能力，可用于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、機(jī)器視覺和過程控制等工業(yè)應(yīng)用。基本上，任何使用240 W或更少功率的應(yīng)用都可以使用USB電源供電。

CUI Devices推出了眾多的USB連接器系列，包含符合各種USB標(biāo)準(zhǔn)的Type A、Type B、Micro AB、Micro B、Mini AB、Mini B和Type C USB連接器類型，也包括2.0、3.2 Gen 1（以前的USB 3.1 Gen 1)、3.2 Gen 2（之前為USB 3.1 Gen 2）、3.2 Gen 2x2（之前為USB 3.2）和USB4 40 Gbps。憑借高達(dá)著40 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度和高達(dá)240 W的功率輸出，這些USB連接器幾乎可以用于任何設(shè)計。您可以到艾睿電子的網(wǎng)站直接采購相關(guān)的產(chǎn)品。

總結(jié)

USB是一種非常靈活的標(biāo)準(zhǔn)，在需要數(shù)據(jù)傳輸和電源的領(lǐng)域幾乎得到普遍采用。USB連接器和電纜組件結(jié)合了易用性和智能技術(shù)規(guī)范，使產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計人員能夠降低布線需求和混亂、減少占地面積、確保向后兼容性，并削減總體成本。無論是為未來設(shè)計還是連接傳統(tǒng)產(chǎn)品，了解USB的功能將有助于設(shè)計人員創(chuàng)造出可供地球上幾乎任何人都可使用的產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅