USB的發展歷史
USB的全名為Universal Serial Bus, 最初是由英特爾與微軟公司倡導發起,其最大的特點是支持熱插拔(Hot plug)和即插即用(Plug&Play;PnP)。當裝置插入時,主機端尋找到此裝置並載入所需的驅動程序,因此使用上遠比其他匯流排方便。
USB 速度比並列埠(Parallel Port)與串列埠(Serial Port,如 RS-232)等傳統電腦用標準匯流排快上許多。原標準中USB 1.1 的最大傳輸頻寬為 12Mbps,USB 2.0 的最大傳輸頻寬為 480Mbps。2008年推出的USB 3.0更從480Mbps提升到4.8Gbps以上。近期發表了USB 3.1的最大傳輸頻寬更是USB 3.0的兩倍高達10Gbps。請參閱表1為USB發展歷史。
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 |
號稱介面之王的USB,已經在電子業界立下無法取代的地位。相信沒有人可以準確地說出全世界有存在少的USB連接埠。分析師說,估計每年至少有超過20億個擁有USB連接埠的裝置出貨,這個數字可以說是相當驚人的數量。
USB 2.0
回顧USB的發展史,USB 1.0規範於1996年剛確立時,可是難以吸引週邊與裝置製造商的青睞,因為USB 1.0規範只定義了1.5 Mbps的傳輸速度,在資料通信上難以實現使用者所需要的效率。而在當時的Fast SCSI,已經能支援到10 Mbps的範圍。然而甚至當時另一火紅IEEE 1394a的傳輸界面(蘋果電腦稱為Firewire),傳輸速度也高達400 Mbps。為了提昇競爭力,英特爾於是在2000年的時候推出USB 2.0 HS(High Speed),傳輸高達480 Mbps。
USB 3.0
USB在2008年公佈了USB 3.0的規範,傳輸速度高達5 Gbps。到了USB 3.0的時代,被稱為SS(Super Speed)。從推出至今,USB 3.0已經成為最普及的主流介面,充分的運用各式外接市場上,如:外接式硬碟機、固態硬碟(SSD)、DVD播放器…等。
USB的重大變革:USB Type-C的問世
面對其他高速介面的挑戰,USB也不落人後地在2013年推出了USB 3.1新規格,支援高達10 Gbps的傳輸速度,並更名為USB 3.1 Super Speed Gen 2,而原本支援 5 Gbps的USB 3.0則稱為USB 3.1 Super Speed Gen 1。
USB Type-C規格於2014年8月公告,雖然被包含在USB 3.1的規格裏,但是其實Type-C仍然有USB 2.0的規格。下列為Type C四大特點:
1. 較小的尺寸:在尺寸上與現有USB 2.0 Mirco-B相似。
2. 電源充電:Type-C將支援更高的電源充電能力。
3. 可擴展性:Type-C的設計將支援未來USB的性能。
4. 可用性:支援正反面都可插入,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。其充電能力本身支援到15W,同時也支援USB Power Delivery規格,最高將支援到100W的供電能力。在傳輸速度上,除了支援現有USB 3.1 Super Speed Gen 2的10 Gbps之外,也預期將能支援到後續更高的傳輸速度(如USB 4)。使用上支援正反可插(如蘋果電腦的Lightning介面),更可擴大適用於平板電腦、智慧型手機等輕薄型行動載具,因此格外受到市場期待。
Type-C的連接器設計,與以往的USB連接器有很大不同,採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)則有兩種設計,分別為支援高傳輸速度的Full Featured版本與USB 2.0版本兩種。由於Type-C為上下排端子設計,因為在線纜加工上,必須在Plug尾端進行Paddle Card連接,芯線才加工在Paddle Card上。同時協會也定義了,若Type-C線纜要支援3A以上的供電能力時,必須有USB Type-C Electronically Marked來註記。在線纜規格的部份,主要有下列三大項:
1. 標準Type-C線纜
2. 傳統USB線纜
3. 傳統USB轉換器
標準Type-C線纜中,有USB Full Featured Type-C線纜與USB 2.0 Type-C線纜兩種規格。
傳統USB線纜中,有分USB 3.1與USB 2.0兩種規格。USB 3.1規格中定義了: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規格裏頭定義了: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USB轉換器中,有USB Type-C to USB 3.1 Receptacle轉換器與USB Type-C to USB 2.0 Micro-B Receptacle轉換器兩種。圖4為Type-C Plug外形。
USB Type-C測試的要求重點為何?
在測試規格上,Type-C的測試有下列幾項主要的要求:
機構測試
Type-C主流為使用在手持裝置上,所以與USB Micro-B一樣,耐插拔1萬次的高壽命。插入力與拔出大也與原始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也必須進行4軸向測試。
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必須進電流溫昇測試,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。
環境測試
與USB 3.0要求相同,遵照EIA 364-1000.01規範連行環境測試。
電鍍要求
與USB 3.0要求相同。
高頻測試
Type-C的規範與以往USB規範最大不同處,在於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板端連接器與標準Type-C線纜高頻測試要求如表2(傳統USB線纜的測試要求則不同)。
表2:Type-C板端連接器與標準Type-C線纜高頻測試要求
上述的高頻測試完成後,還有5項參數必須透過USB協會所公告的公式進行換算,才能得知此Type-C線纜是否符合協會的要求:
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ILfitatNq(Insertion Loss fit at Nyquist frequency)
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IMR(Integrated Multi-Reflection)
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INEXT(Integrated Near-end Crosstalk)
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IFEXT(Integrated Far-end Crosstalk)
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IRL(Integrated Return Loss)
有鑑於各測項上皆涉及精密的高頻訊號、機械特性、電氣性能以及環境變化等類別的測試與驗證,廠商在認證測試時亟需專業實驗室的協助與諮詢。協會正式授權的實驗室能夠提供專業的技術支援及設備儀器,以完整重現這些產品在真實世界中可能遭遇的種種狀況,並點出問題風險所在,確保產品符合品質條件、完美展現功能需求。
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協會針對線材屏敝的測試也定義了嚴謹的測試要求,如圖5所示為線材屏蔽設測環境:
USB Type-C的後續發展
Type-C的發展始終受到業界觀注,歐盟也將在2017年統一所有手機充電器的規格,並要求在手持裝置上的連接器必須一致。目前充電介面還未採用USB規格的蘋果陣營,格外受到關注,而這就是為何市場分析師預期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介面規格世代交替潮。
另一個Type-C連接器的主要目標,是希望能取代現有的USB 2.0 Micro-B連接器,做為各式行動裝置的標準傳輸線規格。過去USB 2.0 Micro-B連接器,被許多智慧型手機等行動裝置採用,但到了USB 3.0時代,雖然傳輸速度大幅提昇,但礙於USB 3.0 Micro-B連接器的寬度超過USB 2.0的兩倍,對於輕薄化訴求高的智慧型手機而言太寬,因此少有智慧型手機大廠採用USB 3.0 Micro-B連接器。USB協會希望能透過推出新一代Type-C連接器,來統一行動裝置的傳輸線規格。期望Type-C能成為所有裝置在資料、電力、影音傳輸上都可通用的唯一介面標準。
唯一可惜之處是,USB Type-C與現行USB連接埠並不相容,若是在舊有的手機或是電腦上使用,得配上轉換器才可使用。目前在市場上尚未出現已搭配USB 3.1連接埠的裝置,但按照以往USB規格普及的速度,相信不久的未來,消費者們就可以見識並體驗到USB Type-C帶來的便利。
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