工業(yè)和車用USB-Type C接口有何優(yōu)勢(shì)？

根據(jù)歐盟目前的規(guī)范，到2024年底在歐盟所有銷售的智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和相機(jī)都必須配備USB Type-C充電接口。而從2026年春季開(kāi)始，也將適用于筆記本電腦。因此USB Type-C接口將成為所有USB傳輸技術(shù)中，最受關(guān)注的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
此外，由于印度打算加入歐盟，因此也開(kāi)始強(qiáng)制使用USB Type-C作為市場(chǎng)上所有智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和筆記本電腦的統(tǒng)一充電接口。這些變化最早可能在2024年在生效。印度這樣做的主要理由，除了符合歐盟的規(guī)范之外，也希望減少使用不同充電接口所產(chǎn)生的電子垃圾（在這種背景之下，主要影響者就是蘋果公司）。在2022年底，印度中央部際工作組已經(jīng)就所有電子設(shè)備上的USB Type-C充電接口標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)成共識(shí)。


 
圖一 : 如果蘋果2025年從Lightning轉(zhuǎn)向USB Type-C，這意味著第一款USB-C iPhone將是iPhone 15。

USB Type-C技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)及到嵌入式和工業(yè)領(lǐng)域
與USB-Type A和USB-Type B不同，USB-Type C端子的形狀是對(duì)稱的，所以不用擔(dān)心正反面的方向，也因?yàn)檫@樣的接口設(shè)計(jì)，可以更方便傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)據(jù)。此外，供電方面也比傳統(tǒng)的USB-Type A、USB-Type B具有更優(yōu)越的快速充電能力。
除了信息產(chǎn)品之外，目前USB Type-C的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)逐漸擴(kuò)及到包括：工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)影像、自動(dòng)駕駛汽車和ADAS、安全和監(jiān)控、智能零售、建筑、制造和農(nóng)業(yè)等。這是由于USB Type-C提供了優(yōu)于USB-Type A和前幾代USB-Type B的增強(qiáng)功能。只要透過(guò)一根USB電纜傳輸就能提供高速數(shù)據(jù)傳輸和供電的能力，同時(shí)還可以為系統(tǒng)整合業(yè)者和OEM設(shè)計(jì)人員提供更多連接的接口。
雖然USB Type-C在消費(fèi)端并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，但今天它已經(jīng)慢慢融入嵌入式行業(yè)，USB Type-C提供的功能，正在慢慢淘汰對(duì)Type A和Type B的速度和連接性需求。目前，不同的工業(yè)運(yùn)算解決方案都提供了USB 3.2 Gen 2的USB Type-C。
隨著技術(shù)的進(jìn)步呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，將有更多數(shù)據(jù)需要處理。在嵌入式應(yīng)用中，如機(jī)器視覺(jué)和其他支持AI的操作、工業(yè)計(jì)算機(jī)，需要從IoT設(shè)備和傳感器獲取大量數(shù)時(shí)，USB Type-C就具有極快的速度，將這些大量數(shù)據(jù)發(fā)送到工業(yè)計(jì)算機(jī)，并為邊緣提供額外的下一代USB技術(shù)。
與其他類型的USB相比，USB Type-C的架構(gòu)更纖薄、更小。SFF（小型）PC和SBC（工控板）等嵌入式系統(tǒng)，就需要在空間受限的應(yīng)用中提供所需的處理能力，對(duì)于這些限制因素和對(duì)更大運(yùn)算能力的高需求，便可以透過(guò)USB Type-C來(lái)緩解這些限制。

USB-Type C仍舊需要面對(duì)現(xiàn)有傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)
Type-C是2014年才出現(xiàn)的新USB標(biāo)準(zhǔn)，但由于其高度的便利性，越來(lái)越多的PC和智能手機(jī)等數(shù)字設(shè)備內(nèi)建了Type-C接口。根據(jù)印度研究公司FMI的數(shù)據(jù)顯示，USB-Type C市場(chǎng)在2022年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了159億美元，占全球USB設(shè)備市場(chǎng)的 37%。預(yù)計(jì)到2030年時(shí)，將達(dá)到1272億美元。
這股浪潮不僅在各種智能型數(shù)字產(chǎn)品上展開(kāi)，甚至還被推廣到汽車市場(chǎng)，因此導(dǎo)入U(xiǎn)SB-Type C的新車型也越來(lái)越多。例如本田在2022年全新改款的第6代Step Wagon，全車系都配備了USB-Type C充電插槽。
今天，智慧手機(jī)透過(guò)USB-Type C連接到汽車時(shí)，大多都已經(jīng)可以達(dá)到以下三種用途（圖二）：

（1） 透過(guò)USB-Type C來(lái)播放音樂(lè);
（2） 提供充電的功能;
（3） Apple CarPlay和Android Auto透過(guò)USB-Type C連接車載資通訊系統(tǒng).


 
圖二 : 目前智慧手機(jī)大多可以透過(guò)USB-Type C連接到汽車的娛樂(lè)設(shè)備。

但是，對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)電纜連接是絕對(duì)必要的嗎？答案是「取決于汽車型號(hào)」，但事實(shí)上，這些都可以通過(guò)無(wú)線方式處理。包括：（1）透過(guò)藍(lán)牙連接；（2）支持Qi標(biāo)準(zhǔn)，可讓電子產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線充電；（3）透用無(wú)線CarPlay/Android Auto連接。
但目前采用無(wú)線CarPlay/Android Auto技術(shù)的車型還很少，因此大多數(shù)汽車還是使用藍(lán)牙技術(shù)。
如此一來(lái)，就會(huì)有人產(chǎn)生了質(zhì)疑，既然已經(jīng)有了這么多的替用技術(shù)，未來(lái)為什么還要導(dǎo)入U(xiǎn)SB-Type C，之所以USB-Type C被推廣到車輛是因?yàn)閁SB-Type C這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它的設(shè)計(jì)和未來(lái)預(yù)期在汽車中應(yīng)用具有有高度的兼容性。；

透過(guò)USB PD接口供電已是大勢(shì)所趨
隨著智慧手機(jī)走向5G，因此電力消耗進(jìn)一步增加。所以透過(guò)PD（Power Delivery）的技術(shù)，在后座將有更多時(shí)間享受各種內(nèi)容，以及同時(shí)進(jìn)行充電。
USB PD協(xié)議允許USB Type-C提供高達(dá)240W的功率，加速將此傳輸技術(shù)推動(dòng)車用市場(chǎng)。然而，汽車USB Type-C設(shè)計(jì)必須滿足嚴(yán)格的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)，例如EMC和熱管理法規(guī)。因?yàn)槊恳豁?xiàng)法規(guī)都是在確保駕駛，和乘客的舒適性和便利性的。因此USB PD的新功能都將使設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜。
事實(shí)上，許多新車都已經(jīng)配備了USB接口，由于這些對(duì)電力的消耗，使得各款式的新車都被要求，需要具有更穩(wěn)定的供電能力（圖三）。


 
圖三 : 透過(guò)控制電路讓USB Type-C來(lái)獲得汽車電池中的穩(wěn)定電力。（source：Monolithicpower；作者整理）

因此，USB-Type C的PD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還正繼續(xù)的發(fā)展，目前最新的PD規(guī)范，已經(jīng)能夠提供高達(dá)240W的電源。可惜的是，目前還沒(méi)有能夠提供240W功率的車輛（因?yàn)橄到y(tǒng)成本是一個(gè)不得不面對(duì)的問(wèn)題）。
另一方面，由于汽車電氣化，交流發(fā)電機(jī)等電氣系統(tǒng)的強(qiáng)化，也應(yīng)該影響到信息娛樂(lè)系統(tǒng)的供電，因此USB-Type C在車用的發(fā)展仍處于起步階段。
就便利性而言，Qi和無(wú)線連接將不會(huì)消失。然而，USB-Type C預(yù)計(jì)將以不同的方式發(fā)展，包括高速數(shù)據(jù)傳輸，以及對(duì)車輛和電纜方面的支持（如交替模式），可以透過(guò)單一電纜就能享受高質(zhì)量的視訊內(nèi)容。
汽車業(yè)者不太可能需要為車輛中的每個(gè) USB Type-C都提供100 W以上或240W的電源。因此會(huì)為了在不影響充電時(shí)間，或可靠性的情況下盡量地降低成本，例如可以在插槽之間共享一個(gè)100 W以上或240W電源，這就稱為動(dòng)態(tài)負(fù)載共享。例如，USB Power Delivery 控制器和零件中就可以將其中一個(gè) USB Type-C插槽的供電能力降至60 W，因此在插入設(shè)備時(shí)它可以為第二個(gè)插槽提供 40W以上的電源輸出（圖四）。


 
圖四 : 透過(guò)分配機(jī)制，降低其中一個(gè)電力輸出埠，來(lái)讓另一個(gè)輸出埠供應(yīng)大電力，達(dá)到降低成本的目的。（source：Cypress；作者整理）

USB的可互操作性是相當(dāng)?shù)?/strong>
對(duì)于使用性的方便程度而言，可互操作性（Interoperability）是至關(guān)重要的。僅僅因?yàn)閮蓚€(gè)設(shè)備符合USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并不一定意味著它們可以協(xié)同工作。
互操作性在汽車應(yīng)用中就有著關(guān)鍵性作用，因?yàn)榛ゲ僮餍圆患训脑挄?huì)對(duì)使用者帶來(lái)相當(dāng)大的困擾，與負(fù)面觀感。
因?yàn)閁SB接口已發(fā)展成為汽車的一項(xiàng)不可或缺的接口標(biāo)準(zhǔn)，在承擔(dān)著越來(lái)越多的充電、播放音樂(lè)和與智能手機(jī)交互的責(zé)任下。在購(gòu)買車輛時(shí)，人們往往更關(guān)心連接手機(jī)和播放音樂(lè)的便利程度，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。
同時(shí)為了讓使用壽命更長(zhǎng)，車輛不僅需要能夠與目前所有的智慧手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和筆記本電腦進(jìn)行相互操作與存取，而且還需要為未來(lái)幾年可能出現(xiàn)的新產(chǎn)品進(jìn)行互操作。因?yàn)橐阅壳跋M(fèi)者的使用習(xí)慣來(lái)看，平均每?jī)赡昃蜁?huì)更換一次智能型手機(jī)，所以互操作性就更加重要了。
與許多標(biāo)準(zhǔn)一樣，USB供電標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷推陳出新。例如，目前雖然可支持最新的Power Delivery （PD） 3.1和Quick Charge （QC） 5，但是USB Type-C和PD規(guī)格卻都在不斷出現(xiàn)變化，那么車輛就可能無(wú)法完全支持市場(chǎng)上最新的智能型電子產(chǎn)品。

透過(guò)可程序化USB控制器解決互操作性問(wèn)題
實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健互操作性的唯一方法是透過(guò)可程序化USB控制器。借助可程序化控制器，就可以隨時(shí)升級(jí)USB Power Delivery中的Stack結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到與新產(chǎn)品互操作的能力。就像是今天的車輛中許多系統(tǒng)都使用軟件，因此車主也可以接受軟件升級(jí)是一種標(biāo)準(zhǔn)保養(yǎng)項(xiàng)目。
另外必須注意的是，以現(xiàn)有的信息產(chǎn)品分類來(lái)看，固定功能和可配置控制器非常適合消費(fèi)電子設(shè)備（例如USB的鼠標(biāo)或鍵盤）等應(yīng)用，而在這些應(yīng)用中，產(chǎn)品的使用壽命大多都預(yù)計(jì)只有幾年而已，因此產(chǎn)品只需要提供有限且良好的互操作就可以。
相比之下，可程序化USB控制器可提供開(kāi)發(fā)人員完全訪問(wèn)控制器的機(jī)能，從而最大限度地提高設(shè)備的能力，并且透過(guò)資料的回饋（Feedback），控制器更可以動(dòng)態(tài)性的和優(yōu)化設(shè)備效能。此外，如果出現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)或出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題，還可以利用韌體升級(jí)來(lái)解決這些問(wèn)題。來(lái)確保在工業(yè)設(shè)備或車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持互操作性、質(zhì)量和可靠性。
事實(shí)上，工業(yè)設(shè)備和汽車上所內(nèi)建的USB控制器并不是便宜商品。例如當(dāng)USB鼠標(biāo)無(wú)法運(yùn)作時(shí)，更換一個(gè)便宜新鼠標(biāo)的成本可能不到100人民幣。但是如果汽車上的USB接口停止工作的話，則可能需要進(jìn)行昂貴的保養(yǎng)維修。因此，應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備和車輛的USB控制器必須全面滿足更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還必須能夠承受更高的工作溫度。因此所使用的組件可靠度，需要比傳統(tǒng)消費(fèi)電子所需的時(shí)間更長(zhǎng)。

過(guò)壓、過(guò)流、ESD和短路保護(hù)都是課題
設(shè)計(jì)具有更高功率輸出的USB Type-C子系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一，是電源需要過(guò)壓、過(guò)流、ESD和短路保護(hù)以及高壓柵極驅(qū)動(dòng)器。還需要電纜補(bǔ)償以確保在車輛中保持長(zhǎng)電纜上的信號(hào)質(zhì)量。為了支持車輛或者是工業(yè)生產(chǎn)在線，可以在受限和環(huán)境極端的操作條件下可靠運(yùn)作，就需要溫度保護(hù)機(jī)制來(lái)防止過(guò)熱和損壞。
由于USB接口插槽是暴露于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，因此USB電路就需要更高等級(jí)的保護(hù)，免受許多電氣事件的影響。就像是最常見(jiàn)的一種是靜電放電（ESD）。例如，乘客在乙烯基座椅上四處走動(dòng)或摩擦地毯就會(huì)產(chǎn)生電荷。如果這時(shí)觸摸暴露在外的USB接口插槽，極可能會(huì)損壞車內(nèi)的敏感電子設(shè)備，而這些電子設(shè)備維修起來(lái)既困難又昂貴。
因此為了防止ESD帶來(lái)的影響，這時(shí)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)接地機(jī)制，以便讓能量可以安全消散。理想情況下，控制器是已經(jīng)整合了ESD保護(hù)能力，提供8 KV接觸和15 KV 空氣放電保護(hù)，這樣一來(lái)，就足以保護(hù)控制器避免受到ESD影響。
在未來(lái)，一些USB類型將很快被USB Type-C所取代，不僅會(huì)取代Type-A，甚至還會(huì)取代Mini-USB和Micro-USB連接器。如果新一代的工業(yè)設(shè)備或新款車型仍然有訊號(hào)傳述和供電接口，USB Type-C無(wú)疑將成為未來(lái)最主流的連接器。
因此最新的設(shè)備已經(jīng)都至少會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)USB-C接口，并且根據(jù)歐盟法規(guī)，會(huì)保留一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。但是，該規(guī)定僅影響電源變壓器。由于USB A/B在數(shù)據(jù)傳輸方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來(lái)也不會(huì)用于數(shù)據(jù)應(yīng)用。因此相信接下來(lái)USB Type-C將會(huì)出現(xiàn)在更多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中。