制程工艺材料类 　　

　　

　　USB通用串行总线的缩写，是一种串行通信协议，负责物理层和链路层的建立。可以支持慢速数据传输(如鼠标、键盘、操纵杆等。)以及音频和视频信息的快速数字压缩。在普通USB 2.0版本下，有两对线缆，用来传输数据，为接口设备提供电源线缆。在2.0版本之前，标准定义了两种线缆，分别为高速和低速，与上游主机的A型连接器和下游设备的B型连接器组合形成一个USB线缆组件。通过计算机内部的USB集线器和根集线器可以形成一个星型网络，网络的规模随着集线器数量的增加而增加。因此，它用一个通用的连接器取代了传统的外部端口，如串口、游戏口和并口。USB可以允许多达127个接口设备串行连接到外部USB端口，而不是像当前的串行端口或并行端口那样必须只将一个接口设备连接到一个端口。如图，简单来说就是简化外部接口设备与主机的连接，用一根传输线将各种接口设备并联和串联起来，解决主机后面大量电线纠结的窘境。还可以随时插入各种接口设备，无需重启或安装。以便为最终用户简化连接和规划计算机外围设备的过程。 　　

　　

　　 　　

　　

　　USB是一种连接标准，它可以将接口设备直接连接到计算机，而无需重新配置系统。它为PNP(热插拔)提供了更广阔的前景，增加了用户的方便性和快捷性。目前USB可以达到USB4阶段，达到40 Gbps的高速传输目标，早已超越IEEE1394-1995规定的速度。尽管还有一些问题需要解决，但充分利用其价格和技术优势的USB将成为PC总线标准的主流是必然趋势。 　　

　　

　　 　　

　　

　　USB的主要特性简述 　　

　　

　　l经济： 　　

　　

　　USB为连接外围设备提供了一种低成本的解决方案，一次最多可以连接127个设备。 　　

　　

　　l热插拔和即插即用功能： 　　

　　

　　USB自动检测设备连接，软件会自动规划立即使用。在这个过程中，不需要用户干预。 　　

　　

　　l电缆电源： 　　

　　

　　USB支持多种传输速率，分为1.5 MB/s低速和12 MB/s高速，2.0版本USB传输速率为480Mb/s，3.0版本为4980 MB/s；3.1版本USB传输速率10G/Mbps；年底商用的USB4传输速率将达到恐怖的40G/Mbps；其中，前者使得使用低速/低成本设备成为可能。这是因为电缆可以设计成无屏蔽，所以价格降低了。外围设备可以通过电缆直接供电。后者可以提供5.0VDC电源。根据集线器连接器端口的不同，USB2.0系列及以下的电流范围为100ma-500ma；而USB 3.0提供5V/0.9A电源。但是人们还是想要更强的供电能力，所以USB 3.1(SuperSpeed)把电源的最大允许标准提高到了20V/5A，电源为100W。 　　

　　

　　 　　

　　

　　l免除系统资源要求： 　　

　　

　　与ISA、e ISA和PCI设备不同，USB设备不需要内存或输入/输出地址空间(DMA)和IRQ线。 　　

　　

　　l错误检测和恢复： 　　

　　

　　USB事务包含错误检测机制，以确保数据的正确传输。出现错误时，将重试该事务。 　　

　　

　　l节能： 　　

　　

　　如果3ms后总线没有动作，USB设备将自动进入省电状态。此时，设备消耗的电流不超过500uA。 　　

　　

　　l支持四种传输方式： 　　

　　

　　USB定义了四种传输模式来支持各种设备的要求。这四种形式包括(海量、实时、中断和控制传输)。 　　

　　

　　备注： 　　

　　

　　Isa :行业标准架构行业标准结构 　　

　　

　　Eis:扩展行业标准架构行业标准扩展架构 　　

　　

　　Pci :外围组件互连外部组件互连 　　

　　

　　DMA:直接内存访问直接内存访问 　　

　　

　　IRQ:中断请求中断要求 　　

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USB的接口成长历程

　　

USB规范的不断更新，从通讯速率到接口形式都有显著变化，从下表可以看出通讯速率成倍的增加，目前最快的理论数据通信速率USB4和雷电接口相容达到了40Gbit/s，接口形式也从少到多，最后归一到Type-C一种，符合当前人们对高速率通信和大充电的需求

　　

　　

1 USB1.X时代

　　

在USB 1.0时期，大多设备没有预留USB口，操作系统支持也不够，USB文件观念过于抽象，导致USB技术普及非常困难。在USB 1.1时期，USB通讯速率提高，并且windows98操作系统中内置了USB接口模块，USB才受到了外设厂家的普遍青睐。

　　

2 USB2.X时代

　　

2000年8月，正式公布USB 2.0标准。在USB 2.0规格中，最重要的是增加更高的数据传输速率480 Mbps，属于半双工通信，现在仍然广泛使用。

　　

USB 2.0将其带入了辉煌时期，在主机端，个人电脑几乎都支持USB，在设备端，使用USB接口的设备与日俱增，例如数码相机、扫描仪、打印机、鼠标、键盘等。其最大优势在于“热插拔 ”、“携带方便”、“标准统一”、“可连接多个设备”，并逐步淘汰了PC机的并口和其他老旧接口。

　　

在USB 2.0时期，增加了USB的补充协议，OTG（On-The-Go），USB接口增加了ID引脚，作为主机和从机的判断依据。OTG主要应用于各种不同的设备或者移动设备间的联接，进行数据交换，比如PAD、手机、消费类设备等无主机的情况下通信。

　　

3 USB3.X时代

　　

USB3.0，就是新一代的USB接口，特点是传输速率非常快，理论上能达到5Gbps，全面超越IEEE 1394和eSATA，增加了更多并行的物理总线，实现全双工通信。

　　

在USB3.1以后基本上使用了Type-C接口，通信速率也是成倍增加，Type-C的24个可定义针脚远超USB-A与USB-B。

　　

4 USB4.X未来时代

　　

USB-IF联盟已经发布了USB4.0的协议标准，按照协议标准，USB4.0最高速率可以达到40Gbps，采用USB-C接口（具体引脚功能还在制定中），届时USB接口可以支持PCIE的设备，届时USB接口可以直接外接显卡，体验超高清视频画面。

　　

USB更新接口最让人期待的变化-PD充电

　　

　　

在USB 2.0时代，可提供5V@500mA=2.5W的电力，而USB-IF协会旗下Battery Charging工作小组开始推动以USB/miniUSB/microUSB连接线做为行动装置电池供电器的充电规范。包括2007年Battery Charging(BC) v1.0规范，与2009年BC v1.1规范；2008年USB 3.0规范推出后，可提供5V@900mA=4.5W的电力，虽然USB 3.0提供了5V/0.9A电源。但人们任然希望更强的供电能力，于是USB 3.1(SuperSpeed+)将供电的最高允许标准提高到了20V/5A，供电100W。

　　

无论是USB 2.0的2.5W、USB 3.0的4.5W或BC 1.2的7.5W，这些过去伴随在USB汇流排的充电／供电规格，虽可符合像是手机、MP3的充电需求，但往往需要耗费很多时间才能充饱电；即便是BC 1.2规范上，仅7.5W的供充电功率，光对一般智慧手机充电就要耗费数十分到数小时不等，对稍大尺寸的平板甚至笔电装置，要做充电／供电根本办不到。

　　

于是USB-IF另外成立了电力传输(Power Delivery)工作小组，着手进行藉由USB汇流排提供更大功率充电／供电电流的雄心。2012年7月首度公布USB Power Delivery(PD) 1.0规范，透过5种供电设定级别(Profile 1～5)，最高达100瓦的电力传输量，以及供电端(Source)与接电端(Sink)可以互向的双向式的电源供应特性，让各种装置均能透过单独一条USB线缆满足供电需求，缩短装置充电时间并优化行动应用的便利性。同时能够跟既有USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0充电规范相容。

　　

　　

USB Power Delivery技术与架构详解

　　

USB Power Delivery (USB PD)在充电／供电规格上，制定了最基本的Profile 1 (提供5V@2A, 10W供电，适用于手机、数位相机等可携装置)、Profile 2 (提供5V@2A、12V@1.5A, 10～18W供电，适用于平板电脑、外接储存装置)、Profile 3 (提供5V@2A、12V@3A, 10~36W供电，适用于Ultrabook、变形平板等装置)、Profile 4 (提供5V@2A、12/20V@3A, 10～60W供电，这是microUSB能支援的最大供电规格，适用于一般高效能笔电、AIO电脑)，以及最高级别Profile 5 (提供5V@2A、12/20V@5A, 10～100W供电，用于标准A/B与Type-C连接头，可接液晶显示器、平面电视)。

　　

USB PD架构上定义了供电端(Provider)与受电端(Consumer)，两端各自有数据沟通以及提供额外电力的IC晶片(SuperSpeed InterChip；SSIC)，并利用23.2MHz的VBUS收发载频，以300kbps传输速度来传递Frequency Shift Keying(FSK)信号，并决定实际发送的电压值与电流值；而在8月新公布的USB PD 2.0规格，则首度支援新型态的无方向性Type-C连接头，并改采藉由CC汇流排进行双向沟通并决定发送电压／电流值。

　　

支援USD PD的连接头，则在传统USB连接头图案左边加了SS字母，而同时支援USB 3.1与PD 2.0的USB连接头，还在右上方多加了一个10的字母，代表着具备10Gbps的高传输速率。以USB PD Standard-A连接器为例，在板端的USB PD Standard-A插座内增加了PD Detect脚位，利用USB接头与插座之间的侦测脚位接触与否，来判断所连接的缆线是否支援USB PD规格。

　　

USB PD Standard-B连接器，则透过 USB PD Standard-B插座内的ID脚位，来判断所连接的缆线是否支援USB PD规格。同时依据内置电容位置，来判断承受3A电流或5A电流负载。

　　

　　

USB PD的应用与市场动态

　　

传统的使用情境，主机多半作为供电端，提供电力给连接的萤幕显示器(或萤幕自己独立接电源)、笔电或硬碟；手机和硬碟作为受电端，可吃主机或笔电的电。透过USB缆线供电给一部设计功率65瓦的笔记型电脑，并可再与另一台萤幕相连作为延伸桌面显示。当显示器、笔电与平板都支援USB PD时，显示器、笔电与平板可是供电端也可以当受电端。当笔电、平板电力不足或没带电源供应器时，可透过萤幕来供电；当萤幕需要电力时，也可透过主机、笔电或平板进行供电。这两者也可以在其他装置像是手机、外接硬碟等需要电力时，透过USB Hub的连接来传送电力，或者反过来透过Hub传送电力给笔电、平板，同时仍可进行资料传输。

　　

这样双向性的灵活串接运用，只要在产品供电端与受电端增加USB PD数据沟通IC，随插即充的梦想即可实现。USB PD技术根基于既有低价且已大量普及的USB 介面与缆线，未来在各种USB PD产品应用想必可以加速普及，自然也成为各厂家在未来所期待的USB最值得推崇的技术应用。

　　

就市场面来看，除了英特尔(Intel)为USB PD的主要技术推手，不乏大家熟知的Weltrend伟诠、VIA威锋、Richtek立锜、Leadtrend通嘉、NXP恩智浦、Cypress赛普拉斯，慧能泰等芯片原厂等，特别是大家熟知的国内PD芯片领导者品牌深圳慧能泰PD产品支持18W到100W的功率范围，也支持双口和多口的智能分配功率应用，是PD电源市场极具竞争力的选择。随着USB PD快充及高通QC4+快充的普及，目前市面上已有多款设备支持了USB PD快充，甚至不少手机已经率先支持了USB PD3.0（PPS）协议，用户群数量也在不断增加，整个USB PD快充生态已经具备一定规模，市场前景一片火热。从数据中也可以看到，仅2018年上半年以来就已有10款芯片取得协会的USB PD3.0（PPS）认证（认证中、开发中的不计），可见各原厂对市场风向的把控是非常精准的；同时随着这些认证芯片的投产及应用，相信过不了多长时间 ，市面的上的充电器、车充、移动电源将迎来一轮的大规模更新换代。