USB-PD高供電能力 挑戰安全性設計
- DIGITIMES企劃
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USB介面可以說是IT產業有史以來最受歡迎的連接介面，隨著3C、IT產品升級與需求更迭，USB協會持續更新USB規格擴增競爭實力，而在USB 3.1版本介面除速度上的升級外，最受矚目的就是USB Power Delivery規範，其衍生相關產品與應用也創造USB介面更大優勢與商機…
USB 3.0推廣小組於2013年12月宣布進行開發USB Type-C連接器，該計畫也順利在2014年完成新規格制定，而Type-C連接器為以USB 3.1與USB 2.0技術做為基礎進行開發，在傳輸性能上同時支援USB 3.1高速傳輸(10Gbit/s)需求、同時連接器尺寸也與USB 2.0 Micro版本的連接器尺寸相當，最便利的是Type-C連接介面同時不再具有方向性，可支援正/反插拔，如同Apple推出的Lightning連接器不再有插拔方向性的問題，讓USB介面發展出衷的隨插即用概念更落實徹底實踐。
USB Type-C可望一統行動周邊、IT設備連接器標準
而新版USB 3.1搭配Type-C連接器，另一規格亮點即支援Scalable Power Charging(可擴展充電)的應用功能，即未來連接USB 3.1介面的設備，都可藉由單一纜線連接同時支援數據高速傳輸與快速充電用途，而充電的部分在USB 3.1規格中最高可在單一介面提供高達100W的電力輸出。
至於另一個Type-C連接器的核心目標，即取代目前智慧手機、平板電腦使用甚廣的USB 2.0 Micro連接器，以前USB 2.0 Micro連接器幾乎是智慧手機、平板電腦的充電、資料傳輸專屬介面，但換到USB 3.0甚至進階至USB 3.1介面，Micro USB連接器的傳輸限制與連接器耐用度備受考驗，而新一代Type-C連接器甚至超越行動智能裝置的介面需求，透過連接器的同步升級讓USB 3.1資料纜線甚至可以擴展成為所有裝置進行高速數據、快速充電、高解析度影音傳輸均可應用的通用介面標準。
USB Type-C配置應用多元
USB Type-C連接器主要特性在於，只要用戶正確插入連接器，設備可隨即回應音效提示用戶，連接器本身可支援至10Gbit/s傳送效能，並支援USB-PD技術，連接器可承受多達1萬次的反覆拔插。實際上USB Type-C雖然可能直覺會與USB 3.1介面新標準產生聯想，但實際上設置USB Type-C連接器並不代表該介面支援USB 3.1標準，很可能該連接埠僅外觀為Type-C連接器、主控晶片則未能支援USB 3.1介面標準。未來USB Type-C連接器可能會是Gen1或Gen2標準，有些可能會是Type-C搭配USB 2.0或是Type-C+USB PD等不同組合設計。例如，Nokia N1 平板電腦雖然採用USB Type-C連接器與傳輸線纜，但其USB介面仍僅支援2.0標準。
檢視USB 3.0介面的發展歷程，觀察USB 2.0投入3.0版本更迭過程國/內外主控晶片業者投入狀況，現有出貨的桌上型電腦、筆記型電腦幾乎是100%已整合USB 3.0介面，但實際上外設周邊的USB 3.0介面滲透率卻仍有努力空間，目前僅外接硬碟全面升級USB 3.0介面，如USB隨身碟、讀卡機等滲透率有限，導致影響現有投入USB 3.1主控晶片的業者對市場期待，有別於USB 3.0晶片業者的大幅投入陣仗，目前參與主控晶片研發的業者數量明顯減少，如Intel、AMD、VIA Labs、FRESCO LOGIC、ASMedia Technology等業者較積極投入USB 3.1晶片開發。
USB 3.1介面擴充基座產品熱度高
除主控晶片外，USB 3.1基於數據傳輸高速頻寬支援與豐沛的介面電源輸出特性，預期熱門應用將會是內建Hub集線器的多功能介面擴充基座產品(Docking Station)，尤其是如Apple新推出的MacBook、MacBook Air僅有一個外接接介面、或是Intel力推的Ultrabook、變形筆電等產品，都需要Docking Station協助擴充如外設視訊、音訊、USB集線器等複合介面功能，這類多種複合應用的Hub控制器與整合設計，也成為這波主控晶片外的另一個發展重點。
而其中備受相關業者關注的，即USB 3.1的USB Power Delivery規範，USB-PD的運作方式為藉由介面協助由主控端與設備進行溝通協議，運用階段性提高介面輸出的電壓、電流，達到擴增USB介面的電力輸出水準，而不是以往舊有USB介面電力輸出較無彈性，反而造成介面驅動的功耗問題。新的USB 3.1介面電力輸出可以從3.0的4.5W、USB Battery Charging 1.2規範的7.5瓦，提高至最高100W輸出水準，若僅由單一USB埠擷取電力應用需求，先不論其電路設計複雜度與控制晶片是否到位，USB 3.1版本的介面輸出電能幾乎已能取代眾多3C、IT的交流/直流變壓器設備。
USB-PD技術可讓USB介面取代變壓器
在USB-PD技術應用發展方面，隨著USB-PD標準確認釋出，高速傳輸介面與電源晶片商加足馬力研發產品，紛紛推出100W USB-PD充電與USB 3.1高速介面解決方案，而USB Type-C連接器傳輸速率10Gbit/s的晶片參考設計也同步釋出，如Microchip、VIA Labs、ASMedia Technology、Etron Technology、Renesas Electronics、FRESCO LOGIC等晶片業者，均發表支援USB-PD、Type-C與10Gbit/s傳輸效能的USB 3.1主控晶片、參考設計，USB 3.1介面標準的周邊已具備完整方案，USB 3.1高速介面相關的擴充基座和行動裝置快充充電器方案備齊，已掀起一股USB-PD產品設計熱潮。
新一代USB-PD介面充電標準，與前一代USB-BC(Battery Charging)1.2版本比較，支援電力輸出功率已從15W提升至100W，最大輸出電壓可提升到20V、最大電流可達到5A，可實踐電子設備的大電流快速充電應用功能，縮短外接設備充電時間達兩倍以上，市場發展潛能極大。為加速相關周邊也者導入USB-PD產品設計，針對USB-PD應用，晶片業者即推出整合USB-PD PHY實體層控制器、PMIC電源管理晶片的系統單晶片，產品業者可以搭配可程式化功能設計彈性配置外部電子電路，如設置電阻、電容等電子線路架構，搭配參考設計微調快速建構調整10~100W多達30種不同功率搭配輸出規格的設計解決方案，加速USB-PD新技術規格導入實體設計中。
USB-PD衍生電源安全晶片需求增加
即便現階段USB-PD相關參考設計、主控晶片資源備齊，但實際上USB-PD的設計挑戰不光僅有晶片端問題，因為最大的技術門檻仍在連接器與相關電子電路的安全設計方面，因為當USB 3.1的介面輸出可以支援至100W輸出電能水準時，表示介面連接器可能會產生高熱，連接器的散熱設計及安全性就成為設計重點，另外該介面本身的電子電路安全設計也會增加導入USB-PD的設計成本與難度。為了增加導入USB 3.1介面設計的進程，USB-IF釋出USB 3.1 CTS(相容性測試規範)方案，相關晶片業者陸續啟動相關產品、系統與周邊終端設備的認證流程，以確保導入USB 3.1主控晶片的設備與周邊終端的應用品質與產品相容性。預計2015年下半年開始出貨的USB 3.1控制器、USB 3.1 Hub(集線器)控制器等，導入市場進一步拱大USB 3.1生態系統。
而在USB 3.1介面搭配薄型Type-C連接器，最高傳輸電功率若至頂達到100W狀態，業界估計也將引發更多開發技術挑戰，例如，USB 3.1介面若達到20V/5A水準，該介面周邊的功率元件不管在耐壓、耐電流能力也需要重新設計，原有USB介面通用的散熱、耐壓、耐電流保護或電源晶片元件都需要重新規畫，在機構上也需要導入新的設計散熱機制，確保設備在進行大電力輸出或外接設備進行快速充電的整體安全性。另一個比較嚴重的問題，在於USB 3.1進行10Gbit/s極速數據資料傳輸，高速、高頻數據傳輸會因為纜線長度而導致訊號出現衰減，在USB 3.1系統設計可搭配訊號調節的重定時器(Re-timer)元件或架構設計改善數據訊號完整性，這也會衍生傳輸線、導入介面設備對於相關晶片元件的使用需求。
