USB技术的最新进展

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USB连接自从首次推出到现在已经有23年，这种技术在全球电子行业中的扩展速度前所未有。USB现在已经拥有超过30亿端口的年出货量，是迄今为止最常用的接口技术，笔记本电脑、平板电脑、智能手机和其他各种设备都依赖于这种技术来进行功率和数据传输。今天USB已经远远超出其最初提供的功能，所支持的数据速率和功率水平都提高了几个数量级。而且，由于这种不断发展的推动，USB技术已经比任何其他连接解决方案都更加普及。

通过Type-C连接器，现在已经能够实现具备更小巧外形的USB接口，这对OEM来说非常有利，使他们能够为其产品开发更时尚、更美观的设计。这也意味着，USB连接器相对于端口的方向在配对插接时终于不再那么重要，而过去这些对于用户则是一个很大的挫折感。除此之外，现在也可以通过USB技术达到更高速率数据传输。USB 3.1标准可以实现高达10Gbps的速度，从而使USB标准能够达到与以太网、DisplayPort、HDMI等媲美的带宽，并且在很多应用场景中能够取代其他连接技术。

有许多尖端的半导体芯片可以帮助工程师在其设计项目中实现USB技术。Microchip的USB7002是一款符合USB 3.1标准的四端口控制器IC，可以处理两个带有USB Type-C连接器的USB 3.1 Gen 1下游端口，以及两个带有传统Type-A连接器的USB 2.0 SuperSpeed端口。它采用12mm x 12mm x 0.9mm VQFN-100封装，可将电路板空间占用降至最低，目标应用包括家庭媒体中心（media hubs）和车载信息娱乐系统。赛普拉斯的HX3PD USB 3.1 Gen 2 Type-C 集线器控制器包含七个下游端口，适用于笔记本电脑和平板电脑扩展坞（docking stations）、监控底座等。其高集成度使插接系统设计更加简化，并能够减少整体组件使用数量。该IC具有双ARM Cortex-MO内核以及256kB的闪存，支持以往的USB标准（高速、全速等），可实现后向兼容性。此外，它还集成有I2C、SPI、UART和GPIO接口，可实现更多功能。其可编程性意味着该IC具有面向未来的可靠性，可以应对未来几年内对USB规范进行的可能更改。

图1：Microchip的 USB7002。

USB技术现在可以提供更高数据速率，这当然也会增加信号完整性问题。当用USB技术传输高清视频内容时，尤其是进行远距离传输，信号完整性问题必须考虑，需要减轻所有抖动、串扰和信道损耗等影响。恩智浦（NXP）CBTU02043的引脚排列经过全面优化，可消除串扰。这款USB 3.1多路开关IC具有低插入损耗（5GHz时为-1.4dB，100MHz时为-0.5dB），以及低回波损耗（2.5GHz时约为-16dB），其另一个关键特性是具备 2kV HBM ESD保护。德州仪器（Texas Instruments）的HD3SS3212x双通道、双向差分多路复用器/多路解复用器（demultiplexer）开关针对USB Type-C系统设计，支持USB 3.1 Gen 1和Gen 2数据速率。它具有-32dB（典型值）的串扰数值和-12dB的回波损耗，强大的动态特性意味着该IC能够进行高速开关而不会产生较大抖动。

图2：德州仪器的HD3SS3212x。

对于USB技术，不仅仅是数据速率和信噪比重要，通过相同的接口传输功率和数据一直是USB的魅力所在，并且对于该标准的未来发展至关重要。近年来，通过USB传输功率的能力已大大增强，USB功率传输规范（USB Power Delivery Specification）3.0版本的出现将功率水平提高到惊人的100W（最初的USB规范可以承载仅2.5W）。此外，作为该标准的一部分，充电方向不再固定，在适当的情况下，被充电设备（PD）也能够充当电源。意法半导体（STMicroelectronics）的STUSB47自主式Type-C USB功率传输控制器IC具有所需的内置智能来检测连接的被充电设备，然后可以测量需要给它提供的功率，而无需系统微控制器（MCU）的参与，从而使整个过程更加高效。它支持所有当前的USB PD配置文件，完全符合USB Power Delivery Specification Revision 2.0。

FTDI Chip的FT4233H USB Type-C桥接IC于2018年末推出，支持修订版3.0，可提供3A电流，同时仍能够提供数据传输（速率高达480Mbps）。通过芯片上嵌入的32位PD策略引擎（Policy Engine）和USB协议引擎可以进行协商和功率测量，从而确保这些任务不占用系统MCU的任何资源，因此不会影响其运行性能。通过支持两个Type-C端口，它能够支持系统内的供电方向反转，这样之前充电的设备就可以开始为其他设备充电。这种反转可以瞬间完成，而不会中断正在经历的数据流传输。可配置端口能够充当功率吸收或发源（甚至具备双角色能力），而另一个端口则永久保留为功率吸收器。去年年底Diodes公司还推出

了 AP22815 和 AP22615，在电压升高时，这些3A单通道高端USB电源开关IC将能够保护便携式电子设备和计算机外围设备免受热交换带来的潜在威胁。与FTDI IC一样，它们完全符合最新的USB功率传输标准，并可提供过压、过流、短路和过温保护等机制，以及欠压锁定和受控上升时间、外部存储电容的放电等功能。AP22815采用TSOT25封装，具有固定限流功能，而AP22615采用TSOT26封装，具有可调电流限制。由于采用了该公司专有的铜柱（copper-pillar）封装技术，这些IC具有超低的导通电阻值（通常为40mΩ），能够在150μs内检测并响应电源轨的存在（或不存在）。

图3：Diodes 公司的AP22815 和 AP22615。

最新的USB技术能够提供更高性能和更多的便利性，因而受到消费者和原始设备制造商的欢迎。但这种技术未来仍然存在一些重大障碍，其中包括与数据安全性和确保高功率充电模式的可靠性等相关问题，还需要考虑OEM兼容性问题。例如，当连接到竞争对手的设备时，不同的消费电子产品制造商一般不允许通过其适配器进行快速充电。这违背了USB努力在行业中提倡的整体精

神，并有望在不久的将来能够解决这些问题。展望未来，USB 3.2将开辟更多信道以进一步扩展可用带宽，从而可支持20Gbps的数据速率。但同样需要面对一些技术挑战，其中维护信号完整性，免受电压浪涌、ESD冲击和电磁干扰（EMI）等问题。