如何使用 USB-C 簡(jiǎn)化連接性

作者：Art Pini

個(gè)人電腦、筆記本電腦和平板電腦的尺寸越來越小，幾乎沒有空間留給接口和電源連接器了。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)速率卻越來越快，數(shù)據(jù)、音頻和視頻接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量也越來越多，每種標(biāo)準(zhǔn)都有自己獨(dú)特的接口連接器。然而，用戶依然對(duì)簡(jiǎn)易性和靈活性青睞有加。只要采用 USB Type-C? (USB-C) 物理連接器，這些問題便可迎刃而解。

本文簡(jiǎn)要討論了現(xiàn)代連接性要求以及如何使用 USB-C 滿足這些要求。文中以 [Tripp Lite by Eaton]的 USB-C 塢站、連接器和電纜為例，展示了如何使用這些產(chǎn)品來簡(jiǎn)化設(shè)備連接性。

USB 標(biāo)準(zhǔn)

USB 接口標(biāo)準(zhǔn)最初是一種外設(shè)總線，用于連接計(jì)算機(jī)接口設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)和可移動(dòng)存儲(chǔ)器。多年來，該標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展成一系列標(biāo)準(zhǔn)，成為電腦、外設(shè)和手機(jī)的主要接口。此外，標(biāo)準(zhǔn)中還增加了功率輸送 (PD)，并支持各種協(xié)議的隧道傳輸，例如 DisplayPort (DP)、以太網(wǎng)和高清多媒體接口 (HDMI)。最新版本的 USB4 支持 40 Gbps 的數(shù)據(jù)速率和高達(dá) 240 W 的 PD（修訂版 3.1）。該版本仍保持著與 USB 3.2 和 USB 2.0 等早期標(biāo)準(zhǔn)版本的向后兼容性。

那些使用 USB 的連接器已經(jīng)從最初的 USB-A 和 USB-B 連接器及其變體發(fā)展到目前的 USB-C 連接器。USB 3.2 第 2 代支持高達(dá) 10 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸，這是最后一種允許使用舊版 USB-A 和 USB-B 連接器的 USB 標(biāo)準(zhǔn)。USB 3.2 第 2x2 代支持 20 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，并且需要使用 USB-C 連接器，USB4 也是如此。

USB-C 連接器

USB-C 等 USB 物理連接器有別于 USB4 等 USB 接口標(biāo)準(zhǔn)。USB 連接器由插頭和插座組成，其規(guī)格由 USB 開發(fā)者論壇 (USB-IF) 單獨(dú)指定。USB-C 連接器的吞吐率和功率都很小，僅比 USB-A 微型連接器稍大一點(diǎn)，因此適用于小型設(shè)備。

USB-C 連接器采用 24 個(gè)引腳，其排列方式允許在任一方向與匹配觸頭配接，因此連接器可正反兩插。通過 USB-C 連接器的信號(hào)引腳分配，可了解 USB 標(biāo)準(zhǔn)的功率、數(shù)據(jù)和控制功能（圖 1）。

圖 1：圖示為 USB-C 連接器信號(hào)引腳分配；可在任一方向與匹配觸頭配接，因此連接器可正反兩插。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

USB PD 是一種交互式功率輸送規(guī)格，可讓設(shè)備通過 VBUS 引腳和接地引腳協(xié)商供電、受電（負(fù)載）和所供應(yīng)的功率水平。其中包含四個(gè) VBUS 電源觸頭和四個(gè)接地觸頭。最大功率水平由設(shè)備使用的 USB 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并符合 USB PD 規(guī)格。根據(jù) USB PD，電源和負(fù)載設(shè)備之間的電源合約是使用通道配置 (CCx) 線路協(xié)商達(dá)成的。

CCx 線路可用于檢測(cè)連接方向和通道配置。此外，這些線路還可用于電源控制以及與 USB PD 的信號(hào)傳輸。根據(jù) USB PD，當(dāng)供電電壓為 48 V 且電流水平為 5 A 時(shí)，最大功率水平可達(dá) 240 W。雖然所有 USB-C 電纜都包含 CCx 線路并支持 USB PD，但此類電纜可能不支持 USB PD 中規(guī)定的全部電壓和電流范圍。用戶應(yīng)參考電纜規(guī)格書來了解受支持的功率水平。

專用的 D+ 和 D- 線路仍然與舊版 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，舊版的數(shù)據(jù)速率低于目前的 USB 版本。

藍(lán)色突出顯示的引腳包括四個(gè)差分信號(hào)對(duì)，形成了兩個(gè)支持 SuperSpeed USB 的數(shù)據(jù)通道。USB 3.2 第 2x1 代支持 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，USB 3.2 第 2x2 代支持 20 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，而 USB4 第 3x2 代則支持 40 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。

邊帶使用（SBU1 和 SBU2）線路是 USB-C 規(guī)格支持的交替媒體模式中使用的輔助信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)連接器組的多功能性。AUX 通道負(fù)責(zé)鏈路管理和測(cè)試模式控制。當(dāng)設(shè)置好設(shè)備間的電源合約后，USB PD 就會(huì)啟動(dòng)交替模式（Alt 模式）數(shù)據(jù)鏈路，例如 DP。它通過 SBU 鏈路使用供應(yīng)商定義消息 (VDM) 協(xié)商 Alt 模式握手。當(dāng) DP Alt 模式協(xié)商完成后，DP 將進(jìn)行鏈路訓(xùn)練以建立連接。DP 鏈路訓(xùn)練可優(yōu)化 DP 供電與受電之間的鏈路，確保流數(shù)據(jù)的穩(wěn)健連接。利用 DP Alt 模式，USB-C 電纜可處理 USB 數(shù)據(jù)、視頻圖形陣列 (VGA)、數(shù)字視頻接口 (DVI)、HDMI 和 DP 視頻信號(hào)。

若要通過 USB 發(fā)送交替協(xié)議，一種可選方法是使用協(xié)議隧道傳輸。協(xié)議隧道傳輸可在一種協(xié)議中創(chuàng)建數(shù)據(jù)管道，該協(xié)議便可通過電纜發(fā)送另一種協(xié)議的數(shù)據(jù)。利用這種機(jī)制，USB-C 隧道可以在設(shè)備之間發(fā)送 DP 或 PCIe 數(shù)據(jù)。

USB 電纜

USB-C 電纜提供各種長(zhǎng)度、功率容量和數(shù)據(jù)傳輸速度，以配合所使用的 USB 標(biāo)準(zhǔn)。Tripp Lite by Eaton 提供近百種 USB-C 電纜，為使用 USB-C 連接器的設(shè)備提供了廣泛的功能和擴(kuò)展選項(xiàng)。

[U520-31N]就是一個(gè)很好的例子，這是一種兩端都有插頭的 USB4 電纜。該產(chǎn)品支持 DP Alt 模式，以 60 Hz 的刷新率提供 4K 或 8K 視頻分辨率。此外，U520-31N 還兼容 USB PD，在 20 V 電壓下的額定電流為 5 A，可提供 100 W 的功率。電纜長(zhǎng)度為 2.6 ft.(0.7925 m)，額定最大傳輸速率為 40 Gbps。請(qǐng)注意，USB-C 電纜的最大傳輸速率與長(zhǎng)度成反比。

相比之下，[MTB3-01M5-5A-B]（圖 2）是一款兼容 USB 3.2 第 2x2 代的電纜，額定數(shù)據(jù)傳輸速率為 20 Gbps，支持 60 Hz 下 4K 視頻分辨率。與 USB4 電纜一樣，該產(chǎn)品也兼容 USB PD，額定功率也是 100 W。這種電纜的長(zhǎng)度為 5 ft. (1.5 m)，因此最大數(shù)據(jù)速率較低。

圖 2：MTB3-01M5-5A-B 是一款 USB 3.2 第 2x2 代電纜，支持高達(dá) 20 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

USB-C 適配器

適配器連接到計(jì)算機(jī)的輸入/輸出 (I/O) 端口，并將其協(xié)議轉(zhuǎn)換為另一種標(biāo)準(zhǔn)。例如，Tripp Lite by Eaton 的 [U436-06N-GB-C]就是一款 USB-C 轉(zhuǎn)千兆位網(wǎng)絡(luò)適配器，可與使用 USB 3.0、USB 3.1 第 1 代或 USB 3.2 第 1 代的設(shè)備配合使用，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 5 Gbps（圖 3）。

圖 3：U436-06N-GB-C 是一款 USB-C 轉(zhuǎn)千兆位以太網(wǎng)適配器，帶有一個(gè) USB-C 充電端口。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

輸入連接器是一個(gè) USB-C 插頭，輸出連接器則是一個(gè)以太網(wǎng) RJ-45 插孔。適配器還包括一個(gè) USB-C 插孔，可提供高達(dá) 60 W 的功率（在 3 A 下為 20 V）。如果無法使用無線連接或連接速度太慢，這款適配器可讓僅配備 USB-C 的筆記本電腦使用有線以太網(wǎng)連接。

鑒于 USB 標(biāo)準(zhǔn)可以處理多種不同的協(xié)議，多端口適配器的出現(xiàn)也就順理成章了。這些適配器通常提供小型筆記本電腦不再提供的數(shù)據(jù)通信端口。

[U444-06N-H4GUC2] 就是一個(gè)很好的例子。該適配器支持通過計(jì)算機(jī)的 USB-C 端口提供數(shù)字音頻、60 Hz 下的 4K 視頻、USB PD 以及千兆位以太網(wǎng)（圖 4）。

圖 4：U444-06N-H4GUC2 多端口適配器可為計(jì)算機(jī)增加 HDMI、以太網(wǎng)、一個(gè) USB-C 充電端口和一個(gè) USB-A 端口。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

在 U444-06N-H4GUC2 上，USB-A 端口可提供 7.5 W 的功率（在 1.5 A 下為 5 V），而 USB-C 充電端口則可提供 25 W 的功率（在 5 A 下為 5 V）。

塢站將筆記本電腦轉(zhuǎn)換為工作站

塢站通過 USB-C 連接器增加多個(gè)端口，以此擴(kuò)展筆記本電腦的連接性。它們基本上可以將筆記本電腦轉(zhuǎn)換為多功能工作站。例如，Tripp Lite by Eaton 的 [U442-DOCK2-S]USB-C 為 HDMI、mini DP、VGA、以太網(wǎng)、SD 和 microSD 存儲(chǔ)器、USB-C 功率輸送和三個(gè) USB-A 連接器增加了專用端口（圖 5）。此外，還包括一個(gè) 3.5 mm 耳機(jī)插孔。

圖 5：U442-DOCK2-S USB-C 塢站增加了筆記本電腦可用端口的數(shù)量和類型，其中包括音頻、視頻、存儲(chǔ)器、USB 和以太網(wǎng)。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

mini DP 和 HDMI 端口支持 30 Hz 下的 4K x 2K 分辨率視頻，VGA 端口則支持 60 Hz 下的 1080P 分辨率。以太網(wǎng) RJ-45 端口支持 10/200/1000 Mbps 以太網(wǎng)。三個(gè) USB-A 端口可用于連接 USB 外設(shè)，例如鍵盤、鼠標(biāo)、閃存驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)或智能手機(jī)。這些端口可提供高達(dá) 7.5 W 的直流電源（在 1.5 A 下為 5 V）。雙向 USB-C 充電端口可處理高達(dá) 60 W 的功率（在 3 A 下為 20 V）。

筆記本電腦的 USB-C 端口能夠讓各種各樣的接口使用 USB 標(biāo)準(zhǔn)的多協(xié)議功能。

總結(jié)

USB-C 連接器支持高達(dá) 40 Gbps 的數(shù)據(jù)吞吐率，PD 功率高達(dá) 120 W，并且可正反兩插。為了幫助充分利用這些功能，Tripp Lite by Eaton 以電纜、適配器和塢站的形式提供各種各樣的 USB-C 解決方案，以通過單個(gè) USB-C 連接器支持強(qiáng)大的功能和連接性。

審核編輯 黃宇