工業(yè)和車用USB-Type C接口有何優(yōu)勢？

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、平板計算機和相機都必須配備USB Type-C充電接口。而從2026年春季開始，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。
此外，由于印度打算加入歐盟，因此也開始強制使用USB Type-C作為市場上所有智能型手機、平板計算機和筆記本電腦的統(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)準化達成共識。


 
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端子的形狀是對稱的，所以不用擔(dān)心正反面的方向，也因為這樣的接口設(shè)計，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)逐漸擴及到包括：工業(yè)自動化、醫(yī)學(xué)影像、自動駕駛汽車和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的增強功能。只要透過一根USB電纜傳輸就能提供高速數(shù)據(jù)傳輸和供電的能力，同時還可以為系統(tǒng)整合業(yè)者和OEM設(shè)計人員提供更多連接的接口。
雖然USB Type-C在消費端并不是一項全新的技術(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Type A和Type B的速度和連接性需求。目前，不同的工業(yè)運算解決方案都提供了USB 3.2 Gen 2的USB Type-C。
隨著技術(shù)的進步呈指數(shù)級增長，將有更多數(shù)據(jù)需要處理。在嵌入式應(yīng)用中，如機器視覺和其他支持AI的操作、工業(yè)計算機，需要從IoT設(shè)備和傳感器獲取大量數(shù)時，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)計算機，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，對于這些限制因素和對更大運算能力的高需求，便可以透過USB Type-C來緩解這些限制。

USB-Type C仍舊需要面對現(xiàn)有傳輸技術(shù)標(biāo)準挑戰(zhàn)
Type-C是2014年才出現(xiàn)的新USB標(biāo)準，但由于其高度的便利性，越來越多的PC和智能手機等數(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市場在2022年的市場規(guī)模達到了159億美元，占全球USB設(shè)備市場的 37%。預(yù)計到2030年時，將達到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，甚至還被推廣到汽車市場，因此導(dǎo)入USB-Type C的新車型也越來越多。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，智慧手機透過USB-Type C連接到汽車時，大多都已經(jīng)可以達到以下三種用途（圖二）：

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


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

但是，對這些應(yīng)用來說電纜連接是絕對必要的嗎？答案是「取決于汽車型號」，但事實上，這些都可以通過無線方式處理。包括：（1）透過藍牙連接；（2）支持Qi標(biāo)準，可讓電子產(chǎn)品進行無線充電；（3）透用無線CarPlay/Android Auto連接。
但目前采用無線CarPlay/Android Auto技術(shù)的車型還很少，因此大多數(shù)汽車還是使用藍牙技術(shù)。
如此一來，就會有人產(chǎn)生了質(zhì)疑，既然已經(jīng)有了這么多的替用技術(shù)，未來為什么還要導(dǎo)入USB-Type C，之所以USB-Type C被推廣到車輛是因為USB-Type C這個標(biāo)準，它的設(shè)計和未來預(yù)期在汽車中應(yīng)用具有有高度的兼容性。；

透過USB PD接口供電已是大勢所趨
隨著智慧手機走向5G，因此電力消耗進一步增加。所以透過PD（Power Delivery）的技術(shù)，在后座將有更多時間享受各種內(nèi)容，以及同時進行充電。
USB PD協(xié)議允許USB Type-C提供高達240W的功率，加速將此傳輸技術(shù)推動車用市場。然而，汽車USB Type-C設(shè)計必須滿足嚴格的汽車安全標(biāo)準，例如EMC和熱管理法規(guī)。因為每一項法規(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)計變得更復(fù)雜。
事實上，許多新車都已經(jīng)配備了USB接口，由于這些對電力的消耗，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 : 透過控制電路讓USB Type-C來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240W的電源?？上У氖?，目前還沒有能夠提供240W功率的車輛（因為系統(tǒng)成本是一個不得不面對的問題）。
另一方面，由于汽車電氣化，交流發(fā)電機等電氣系統(tǒng)的強化，也應(yīng)該影響到信息娛樂系統(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和無線連接將不會消失。然而，USB-Type C預(yù)計將以不同的方式發(fā)展，包括高速數(shù)據(jù)傳輸，以及對車輛和電纜方面的支持（如交替模式），可以透過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 USB Type-C都提供100 W以上或240W的電源。因此會為了在不影響充電時間，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100 W以上或240W電源，這就稱為動態(tài)負載共享。例如，USB Power Delivery 控制器和零件中就可以將其中一個 USB Type-C插槽的供電能力降至60 W，因此在插入設(shè)備時它可以為第二個插槽提供 40W以上的電源輸出（圖四）。


 
圖四 : 透過分配機制，降低其中一個電力輸出埠，來讓另一個輸出埠供應(yīng)大電力，達到降低成本的目的。（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。僅僅因為兩個設(shè)備符合USB標(biāo)準規(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，因為互操作性不佳的話會對使用者帶來相當(dāng)大的困擾，與負面觀感。
因為USB接口已發(fā)展成為汽車的一項不可或缺的接口標(biāo)準，在承擔(dān)著越來越多的充電、播放音樂和與智能手機交互的責(zé)任下。在購買車輛時，人們往往更關(guān)心連接手機和播放音樂的便利程度，而不是發(fā)動機的運行狀況。
同時為了讓使用壽命更長，車輛不僅需要能夠與目前所有的智慧手機、平板計算機和筆記本電腦進行相互操作與存取，而且還需要為未來幾年可能出現(xiàn)的新產(chǎn)品進行互操作。因為以目前消費者的使用習(xí)慣來看，平均每兩年就會更換一次智能型手機，所以互操作性就更加重要了。
與許多標(biāo)準一樣，USB供電標(biāo)準也會隨著時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，那么車輛就可能無法完全支持市場上最新的智能型電子產(chǎn)品。

透過可程序化USB控制器解決互操作性問題
實現(xiàn)穩(wěn)健互操作性的唯一方法是透過可程序化USB控制器。借助可程序化控制器，就可以隨時升級USB Power Delivery中的Stack結(jié)構(gòu)，來達到與新產(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是一種標(biāo)準保養(yǎng)項目。
另外必須注意的是，以現(xiàn)有的信息產(chǎn)品分類來看，固定功能和可配置控制器非常適合消費電子設(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控制器可提供開發(fā)人員完全訪問控制器的機能，從而最大限度地提高設(shè)備的能力，并且透過資料的回饋（Feedback），控制器更可以動態(tài)性的和優(yōu)化設(shè)備效能。此外，如果出現(xiàn)新標(biāo)準或出現(xiàn)不可預(yù)見的問題，還可以利用韌體升級來解決這些問題。來確保在工業(yè)設(shè)備或車輛的整個生命周期內(nèi)保持互操作性、質(zhì)量和可靠性。
事實上，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)無法運作時，更換一個便宜新鼠標(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，同時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)消費電子所需的時間更長。

過壓、過流、ESD和短路保護都是課題
設(shè)計具有更高功率輸出的USB Type-C子系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一，是電源需要過壓、過流、ESD和短路保護以及高壓柵極驅(qū)動器。還需要電纜補償以確保在車輛中保持長電纜上的信號質(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作，就需要溫度保護機制來防止過熱和損壞。
由于USB接口插槽是暴露于現(xiàn)實環(huán)境中，因此USB電路就需要更高等級的保護，免受許多電氣事件的影響。就像是最常見的一種是靜電放電（ESD）。例如，乘客在乙烯基座椅上四處走動或摩擦地毯就會產(chǎn)生電荷。如果這時觸摸暴露在外的USB接口插槽，極可能會損壞車內(nèi)的敏感電子設(shè)備，而這些電子設(shè)備維修起來既困難又昂貴。
因此為了防止ESD帶來的影響，這時系統(tǒng)需要設(shè)計接地機制，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保護能力，提供8 KV接觸和15 KV 空氣放電保護，這樣一來，就足以保護控制器避免受到ESD影響。
在未來，一些USB類型將很快被USB Type-C所取代，不僅會取代Type-A，甚至還會取代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傳述和供電接口，USB Type-C無疑將成為未來最主流的連接器。
因此最新的設(shè)備已經(jīng)都至少會設(shè)計一個USB-C接口，并且根據(jù)歐盟法規(guī)，會保留一段相當(dāng)長的時間。但是，該規(guī)定僅影響電源變壓器。由于USB A/B在數(shù)據(jù)傳輸方面沒有優(yōu)勢，預(yù)計未來也不會用于數(shù)據(jù)應(yīng)用。因此相信接下來USB Type-C將會出現(xiàn)在更多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中。