USB Type-C 規格與測試要點

USB發展歷史

USB的全名為Universal Serial Bus, 最初是由英特爾微軟公司倡導發起,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

表1:USB發展歷史

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的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。

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。圖1為USB 2.0 High Speed Logo。

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圖1:USB 2.0 High Speed Logo(圖來自USB.org)

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。圖2為USB 3.0 Super Speed Logo。

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圖2:USB 3.0 Super Speed Logo(圖來自USB.org)

USB的重大變革─Type-C推出

面對其他高速介面的挑戰,USB到了2013年也推出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。圖3為USB 3.1 Super Speed Gen 2 Logo.

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圖3:USB 3.1 Super Speed Gen 2 Logo(圖來自USB.org)

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。

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圖4:Type-C Plug外形(圖來自Type-C 1.0規格)

在測試規格上,Type-C的測試有下列幾項主要的要求:

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 電鍍要求:與USB 3.0要求相同。

5. 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

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:

1. ILfitatNq(Insertion Loss fit at Nyquist frequency)

2. IMR(Integrated Multi-Reflection)

3. INEXT(Integrated Near-end Crosstalk)

4. IFEXT(Integrated Far-end Crosstalk)

5. 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:

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圖5:線材屏蔽設測環境(圖來自Type-C 1.0規格)

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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