兼顧資料/電源/影像傳輸 USB Type-C加速普及

作者: 邱弘志
2018 年 03 月 01 日

Type-C使用率逐漸普及

最簡單的USB Type-C介面,支援USB 2.0(表1中的D+與D-),將高速訊號對加入,支援USB 3.1 Gen1(5Gbps)或USB 3.1 Gen2(10Gbps)的傳輸速度(表1中的Tx+-與Rx+-)。

此外,USB Type-C可透過Power Delivery(以下簡稱PD)協議,將供電瓦數由原本的5V/3A向上提升至20V/5A。同時,PD 2.0之後的版本加入了Alternative Mode(以下簡稱Alt-Mode),透過Alt-Mode可重新定義表1的腳位定義,使USB Type-C的接頭除了傳遞資料、電源,還能傳遞影像資訊。

USB Type-C可兼顧資料、電源與影像的傳輸,因此,我們可從數款新發售的旗艦款手機、或最新的筆記型電腦發現,越來越多裝置採用USB Type-C的介面,成為一種趨勢。以下文章將就2017年新發布的USB Type-C規範,分為資料、電源與影像三個部分進行介紹。

USB 3.2傳輸速率增至20Gbps

USB 3.2於2017年9月公布版本1.0,USB 3.2將同時運用USB Type-C的兩對高速訊號線,使傳輸速度可達到USB 3.1 Gen2(10Gbps)的2倍(20Gbps);過去,USB 3.1 Gen1或USB 3.1 Gen2只使用到一對高速訊號線,可於舊有USB Type-A介面傳輸,而新的USB 3.2需要同時用到兩對高速訊號,因此只能適用於USB Type-C介面,可說是專為USB Type-C量身訂做的規格提升。

USB 3.2主要的特點在於,傳輸速度翻倍達到20Gbps,並可以讓USB 3.1 Gen2的線長達到2公尺。在USB Type-C的規範之中,兩邊都是USB Type-C介面的標準線材裡傳輸,USB 3.1 Gen2速度的線材長度要小於1公尺,而傳輸USB 3.1 Gen1速度的線材長度是小於2公尺。

透過USB 3.2的技術,讓5Gbps的速度同時走在兩對高速訊號,因此可讓10Gbps的傳輸速度在2公尺內傳遞。而Hub的應用,隨著對上的傳輸頻寬倍增,Hub的每一個下行口也有機會達到全載速度。

PPS規範滿足快充需求 接著探討與電源相關的PPS

(Programmable Power Supply)。泰爾實驗室於2017年12月12日在東莞松山湖,舉辦快速充電技術標準與應用研討會。

會中正式頒布中華人民共和國通訊行業標準:「移動通訊終端快速充電技術要求和測試方法」。其中,明訂當充電器與手機端皆為USB Type-C介面時,唯一的充電協議應為PD,而PPS也是因應目前手機的快充需求而開發規格。

過去,人們為了縮短充電速度,藉由提高充電器的輸出電壓,以增加進入手機的充電瓦數。然而,因為手機內的降壓線路將高壓降轉為低壓的效率不高,導致手機充電有發熱情形。

為解決此問題,希望能將手機內的降壓線路移除,使充電器的輸出直接接到手機電池端,輸出可隨電池電壓的變動而調整,因此有PPS的定義。

PPS如同標準固定輸出的PD,定義出四種標準電壓:5V(可調3~5.9V)、9V(可調3~11V)、15V(可調3~16V)、20V(可調3~21V),在每一組可調的電壓範圍內,受電方可依據供電的電流狀況對電源供應器作最小20mV電壓步徑或50mA電流步徑的調整。

如果再配合晶片廠商最新開發出用於設備端不同倍數的Voltage Scaler,以3A的線材即可對電池作6A、9A或12A的大電流充電。

以USB晶片供應商威鋒電子為例,該公司旗下專為充電器使用的USB Type-C PD DFP晶片VP300,本身支援PD 3.0和QC3.0協議,晶片內部整合TL431,可直接透過光耦元件反饋給一次側AC-DC的電源控制晶片。

除針對AC-DC所設計的TL431反饋迴路,VP300同時整合I2C與FB參考電壓的回饋,可針對不同DC-DC的需求進行控制。內建5V LDO毋須外接電源線路,可讓Vconn供應70mW的電源給E-Marker。

另外,在USB Type-C的1.3版本,新增Vconn Power Device(VPD)規範,VPD裝置不僅可接受由原本的Vbus供電,也能接受由Vconn提供的最低3V電壓。最低3V的目的,在於移動式裝置內常放置一顆鋰電池,單顆鋰電池的最低放電電壓一般設定在3V。

以前,透過USB接口的Vbus供電時,供電端須將電池電壓透過升壓線路升到5V,而受電端會將5V透過降壓晶片降到3.3V或1.8V,給內部其他晶片使用,造成兩邊都進行電源轉換而損失效能。

若能透過Vconn直接將電池的電壓有效供應,毋需供電方或受電方放置其他的電源轉換晶片,就可以大幅提升整體電源的轉換效率。

至於前面所提到的E-Marker,放在兩頭都是USB Type-C的線材之中,就像是線材的身分證,用以存儲線材的資料,其包含可負載的電流(3A或5A)、USB速度(USB 2.0或USB 3.1)、線材的耐壓等,而E-Marker所需的電源,是由供電方從Vconn之中所提供。

另一方面,2017年9月於溫哥華所舉辦的USB開發者大會上,也有針對USB多口充的多口充進行介紹。多口充分為Assured Capacity Ports與Shared Capacity Ports兩個類型(圖1)。

圖1 USB多口充定義
圖1 USB多口充定義

圖1所舉的例子皆是總瓦數為60W的多埠口充電器,左邊的多埠口充電器類型是Assured Capacity,3個USB Type-C口分別可提供30W/15W/15W,每個USB Type-C埠口都可視為單一的充電口,與其他口的負載無關。

因此,每口的輸出要能滿足其標誌的供應瓦數,而USB協會目前有針對USB Type-C電源供應器提供認證,其標誌是針對單一個USB Type-C進行認證,可看到這個多口充獲得30W認證。

圖1右邊的多口充電器類型則是Shared Capacity。此案例中單一口可達到27W的最大瓦數輸出,但三個口加總的輸出瓦數不可超過60W,而認證是針對單口進行認證,因此這個充電器是得到27W的認證。

接下來,以圖2說明單一口最大27W,總瓦數60W Shared Capacity的動作原理。當第一個口被用掉24W後,60W剩下的瓦數是36W,仍超過每一口最大27W的需求,因此其餘兩口各單口最大仍可供應27W,接著第二個口用掉15W後剩餘的瓦數為21W,最後一口所能供應的最大瓦數僅剩21W以滿足總瓦數60W的需求。

圖2 Shared Capacity原理
圖2 Shared Capacity原理

若將同樣的三個裝置移到圖1左邊Assured Capacity的電源,會發現只有15W這個裝置確保可獲得足夠瓦數,而另外的24W或21W的裝置,會因為其中一個必須插入15W的口,導致瓦數不足而只能有15W充電。如果30W的供電口被15W裝置占住,將導致21W與24W的裝置都只能得到15W供電。

2017年7月,Display Port Alt-Mode 1.0b(DP Alt-Mode)僅針對既有的規格做了微幅更新,移除用GEN2_BR傳遞DisplayPort訊號的Pin Assignment A與B,在終端應用上,不只是筆記型電腦,也不能發現手機廠開始利用DP Alt-Mode的應用產品(圖3)。

圖3 DP Alt-Mode示意圖
圖3 DP Alt-Mode示意圖

Type-C結合替代模式 影像傳輸更便利

2017年主要旗艦型手機例如三星(Samsung) S8/Note 8、華為(Huawei) Mate10、HTC U11等都支援DP Alt-Mode,Samsung與Huawei並推出可透過手機USB Type-C轉出HDMI的配件。

手機經由USB Type-C將影像訊號投放至大螢幕,大螢幕上的畫面不僅僅是將手機上看到的畫面放大,更經由重新設計,無論對接滑鼠的左右鍵控制、應用視窗的拖放等,都接近我們以往在電腦或筆電的Windows使用經驗。

經由這樣的轉接,大大擴展了手機因螢幕大小限制的應用,原本在手機端才能進行的追劇、玩遊戲或回覆郵件都因為大螢幕的拓展而得到更好的使用體驗。

我們認為,這樣的應用在未來會越來越廣泛,無論家庭娛樂或出差辦公。可想像未來商務人士出差只需要攜帶一支手機,在客戶端能透過USB Type-C介面將簡報資料投影至大螢幕進行介紹;而回到飯店,只要接入飯店所附的Type-C接頭,就可以用飯店電視進行辦公或觀看戲劇,同時還可透過USB Type-C對手機進行充電。

(本文作者任職於威鋒電子)

》想看更多內容?快來【免費加入會員】【登入會員】,享受更多閱讀文章的權限喔!
標籤
相關文章

密鑰管理把關安全通訊協定 SRTP封包架構提升加密套件互通性

2007 年 06 月 29 日

固態照明發展如火如荼 能源之星量測標準嚴把關

2010 年 08 月 23 日

PPTC元件助力 LPS鋰電池設計達陣

2015 年 04 月 23 日

壯大企業永續願景 中/低壓開關設備與時俱進

2021 年 04 月 12 日

自動量測精準分析先進製程參數 TEM量測助2nm製程不卡關

2023 年 04 月 20 日

超導數位技術變革AI/ML發展 實現運算設備用電永續(3)

2024 年 10 月 04 日
前一篇
專訪工研院院長劉仲明 OISP助產學研能量整合
下一篇
台灣電信商進軍MWC 齊秀IoT應用方案