电子产品世界

根据欧盟目前的规范，到2024年底在欧盟所有销售的智能型手机、平板计算机和相机都必须配备USB Type-C充电接口。而从2026年春季开始，也将适用于笔记本电脑。因此USB Type-C接口将成为所有USB传输技术中，最受关注的技术标准。
此外，由于印度打算加入欧盟，因此也开始强制使用USB Type-C作为市场上所有智能型手机、平板计算机和笔记本电脑的统一充电接口。这些变化最早可能在2024年在生效。印度这样做的主要理由，除了符合欧盟的规范之外，也希望减少使用不同充电接口所产生的电子垃圾（在这种背景之下，主要影响者就是苹果公司）。在2022年底，印度中央部际工作组已经就所有电子设备上的USB Type-C充电接口标准化达成共识。


 
图一 : 如果苹果2025年从Lightning转向USB Type-C，这意味着第一款USB-C iPhone将是iPhone 15。

USB Type-C技术已经扩及到嵌入式和工业领域
与USB-Type A和USB-Type B不同，USB-Type C端子的形状是对称的，所以不用担心正反面的方向，也因为这样的接口设计，可以更方便传输的数据数据。此外，供电方面也比传统的USB-Type A、USB-Type B具有更优越的快速充电能力。
除了信息产品之外，目前USB Type-C的技术应用已经逐渐扩及到包括：工业自动化、医学影像、自动驾驶汽车和ADAS、安全和监控、智能零售、建筑、制造和农业等。这是由于USB Type-C提供了优于USB-Type A和前几代USB-Type B的增强功能。只要透过一根USB电缆传输就能提供高速数据传输和供电的能力，同时还可以为系统整合业者和OEM设计人员提供更多连接的接口。
虽然USB Type-C在消费端并不是一项全新的技术，但今天它已经慢慢融入嵌入式行业，USB Type-C提供的功能，正在慢慢淘汰对Type A和Type B的速度和连接性需求。目前，不同的工业运算解决方案都提供了USB 3.2 Gen 2的USB Type-C。
随着技术的进步呈指数级增长，将有更多数据需要处理。在嵌入式应用中，如机器视觉和其他支持AI的操作、工业计算机，需要从IoT设备和传感器获取大量数时，USB Type-C就具有极快的速度，将这些大量数据发送到工业计算机，并为边缘提供额外的下一代USB技术。
与其他类型的USB相比，USB Type-C的架构更纤薄、更小。SFF（小型）PC和SBC（工控板）等嵌入式系统，就需要在空间受限的应用中提供所需的处理能力，对于这些限制因素和对更大运算能力的高需求，便可以透过USB Type-C来缓解这些限制。

USB-Type C仍旧需要面对现有传输技术标准挑战
Type-C是2014年才出现的新USB标准，但由于其高度的便利性，越来越多的PC和智能手机等数字设备内建了Type-C接口。根据印度研究公司FMI的数据显示，USB-Type C市场在2022年的市场规模达到了159亿美元，占全球USB设备市场的 37%。预计到2030年时，将达到1272亿美元。
这股浪潮不仅在各种智能型数字产品上展开，甚至还被推广到汽车市场，因此导入USB-Type C的新车型也越来越多。例如本田在2022年全新改款的第6代Step Wagon，全车系都配备了USB-Type C充电插槽。
今天，智慧手机透过USB-Type C连接到汽车时，大多都已经可以达到以下三种用途（图二）：

（1） 透过USB-Type C来播放音乐;
（2） 提供充电的功能;
（3） Apple CarPlay和Android Auto透过USB-Type C连接车载资通讯系统.


 
图二 : 目前智慧手机大多可以透过USB-Type C连接到汽车的娱乐设备。

但是，对这些应用来说电缆连接是绝对必要的吗？答案是「取决于汽车型号」，但事实上，这些都可以通过无线方式处理。包括：（1）透过蓝牙连接；（2）支持Qi标准，可让电子产品进行无线充电；（3）透用无线CarPlay/Android Auto连接。
但目前采用无线CarPlay/Android Auto技术的车型还很少，因此大多数汽车还是使用蓝牙技术。
如此一来，就会有人产生了质疑，既然已经有了这么多的替用技术，未来为什么还要导入USB-Type C，之所以USB-Type C被推广到车辆是因为USB-Type C这个标准，它的设计和未来预期在汽车中应用具有有高度的兼容性。；

透过USB PD接口供电已是大势所趋
随着智慧手机走向5G，因此电力消耗进一步增加。所以透过PD（Power Delivery）的技术，在后座将有更多时间享受各种内容，以及同时进行充电。
USB PD协议允许USB Type-C提供高达240W的功率，加速将此传输技术推动车用市场。然而，汽车USB Type-C设计必须满足严格的汽车安全标准，例如EMC和热管理法规。因为每一项法规都是在确保驾驶，和乘客的舒适性和便利性的。因此USB PD的新功能都将使设计变得更复杂。
事实上，许多新车都已经配备了USB接口，由于这些对电力的消耗，使得各款式的新车都被要求，需要具有更稳定的供电能力（图三）。


 
图三 : 透过控制电路让USB Type-C来获得汽车电池中的稳定电力。（source：Monolithicpower；作者整理）

因此，USB-Type C的PD技术标准还正继续的发展，目前最新的PD规范，已经能够提供高达240W的电源。可惜的是，目前还没有能够提供240W功率的车辆（因为系统成本是一个不得不面对的问题）。
另一方面，由于汽车电气化，交流发电机等电气系统的强化，也应该影响到信息娱乐系统的供电，因此USB-Type C在车用的发展仍处于起步阶段。
就便利性而言，Qi和无线连接将不会消失。然而，USB-Type C预计将以不同的方式发展，包括高速数据传输，以及对车辆和电缆方面的支持（如交替模式），可以透过单一电缆就能享受高质量的视讯内容。
汽车业者不太可能需要为车辆中的每个 USB Type-C都提供100 W以上或240W的电源。因此会为了在不影响充电时间，或可靠性的情况下尽量地降低成本，例如可以在插槽之间共享一个100 W以上或240W电源，这就称为动态负载共享。例如，USB Power Delivery 控制器和零件中就可以将其中一个 USB Type-C插槽的供电能力降至60 W，因此在插入设备时它可以为第二个插槽提供 40W以上的电源输出（图四）。


 
图四 : 透过分配机制，降低其中一个电力输出埠，来让另一个输出埠供应大电力，达到降低成本的目的。（source：Cypress；作者整理）

USB的可互操作性是相当的
对于使用性的方便程度而言，可互操作性（Interoperability）是至关重要的。仅仅因为两个设备符合USB标准规范并不一定意味着它们可以协同工作。
互操作性在汽车应用中就有着关键性作用，因为互操作性不佳的话会对使用者带来相当大的困扰，与负面观感。
因为USB接口已发展成为汽车的一项不可或缺的接口标准，在承担着越来越多的充电、播放音乐和与智能手机交互的责任下。在购买车辆时，人们往往更关心连接手机和播放音乐的便利程度，而不是发动机的运行状况。
同时为了让使用寿命更长，车辆不仅需要能够与目前所有的智慧手机、平板计算机和笔记本电脑进行相互操作与存取，而且还需要为未来几年可能出现的新产品进行互操作。因为以目前消费者的使用习惯来看，平均每两年就会更换一次智能型手机，所以互操作性就更加重要了。
与许多标准一样，USB供电标准也会随着时间的推移而不断推陈出新。例如，目前虽然可支持最新的Power Delivery （PD） 3.1和Quick Charge （QC） 5，但是USB Type-C和PD规格却都在不断出现变化，那么车辆就可能无法完全支持市场上最新的智能型电子产品。

透过可程序化USB控制器解决互操作性问题
实现稳健互操作性的唯一方法是透过可程序化USB控制器。借助可程序化控制器，就可以随时升级USB Power Delivery中的Stack结构，来达到与新产品互操作的能力。就像是今天的车辆中许多系统都使用软件，因此车主也可以接受软件升级是一种标准保养项目。
另外必须注意的是，以现有的信息产品分类来看，固定功能和可配置控制器非常适合消费电子设备（例如USB的鼠标或键盘）等应用，而在这些应用中，产品的使用寿命大多都预计只有几年而已，因此产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控制器可提供开发人员完全访问控制器的机能，从而最大限度地提高设备的能力，并且透过资料的回馈（Feedback），控制器更可以动态性的和优化设备效能。此外，如果出现新标准或出现不可预见的问题，还可以利用韧体升级来解决这些问题。来确保在工业设备或车辆的整个生命周期内保持互操作性、质量和可靠性。
事实上，工业设备和汽车上所内建的USB控制器并不是便宜商品。例如当USB鼠标无法运作时，更换一个便宜新鼠标的成本可能不到100人民币。但是如果汽车上的USB接口停止工作的话，则可能需要进行昂贵的保养维修。因此，应用于工业设备和车辆的USB控制器必须全面满足更高的标准，同时还必须能够承受更高的工作温度。因此所使用的组件可靠度，需要比传统消费电子所需的时间更长。

过压、过流、ESD和短路保护都是课题
设计具有更高功率输出的USB Type-C子系统的主要挑战之一，是电源需要过压、过流、ESD和短路保护以及高压栅极驱动器。还需要电缆补偿以确保在车辆中保持长电缆上的信号质量。为了支持车辆或者是工业生产在线，可以在受限和环境极端的操作条件下可靠运作，就需要温度保护机制来防止过热和损坏。
由于USB接口插槽是暴露于现实环境中，因此USB电路就需要更高等级的保护，免受许多电气事件的影响。就像是最常见的一种是静电放电（ESD）。例如，乘客在乙烯基座椅上四处走动或摩擦地毯就会产生电荷。如果这时触摸暴露在外的USB接口插槽，极可能会损坏车内的敏感电子设备，而这些电子设备维修起来既困难又昂贵。
因此为了防止ESD带来的影响，这时系统需要设计接地机制，以便让能量可以安全消散。理想情况下，控制器是已经整合了ESD保护能力，提供8 KV接触和15 KV 空气放电保护，这样一来，就足以保护控制器避免受到ESD影响。
在未来，一些USB类型将很快被USB Type-C所取代，不仅会取代Type-A，甚至还会取代Mini-USB和Micro-USB连接器。如果新一代的工业设备或新款车型仍然有讯号传述和供电接口，USB Type-C无疑将成为未来最主流的连接器。
因此最新的设备已经都至少会设计一个USB-C接口，并且根据欧盟法规，会保留一段相当长的时间。但是，该规定仅影响电源变压器。由于USB A/B在数据传输方面没有优势，预计未来也不会用于数据应用。因此相信接下来USB Type-C将会出现在更多的产业领域中。

关键词： 工业 车用 USB-Type C 接口