制程工藝材料類

USB為Universal Series Bus (通用序列總線)的縮寫,是一種串行通訊協議(sereal protocol),它負責實體層和鏈接層的建立。它可以支持慢速的數據傳輸(如鼠標、鍵盤、游戲搖桿等)也支持快速的數字壓縮影音信息。普通的USB2.0版本以下有兩對線，分別用來傳輸數據和提供給接口設備所需的電源線，在2.0版前的標準定義了速度各為12Mbps(Full Speed)及1.5Mbps(Low Speed)的高速和低速兩種電纜線(Cable)，各與上游Host(主機)端的Type A連接器與下游Device (裝置)端的Type B連接器組合而成USB線纜組(Cable Assembly)。透過USB集線器(Hub)和計算機內部的根集線器(Root Hub)就可以形成一個星狀網絡，并且隨著集線器的數量增加而使得網絡的規模隨之增大。所以它籍由一種全球通用的連接器取代了傳統的各種外接埠，像是串行端口、游戲接口和并列端口等，USB并且可以允許多達127個接口設備串接到一個外接USB埠上，而不必像現在的串行埠或并列埠一般，一個埠只能接一個接口設備。如圖所示，簡單的說，就是簡化外部接口設備與主機之間的聯接，利用一條傳輸在線并列串接各類接口設備，解決現在主機后面一大堆線亂繞的困境。而且還能夠在不用重新開機或安裝的狀態下，隨時安插各式的接口設備。為了使終端使用者能簡化計算機周邊配備連接與規劃的過程。

USB是一種連接標準，它不需要再重新配置系統就可以使接口設備直接連到計算機，為隨插即用(PnP,hot-swapping)提供了更為寬廣的未來，增加了使用者使用上的方便迅速。目前USB已經可以達到USB4階段，高達40Gbps(High speed)高速傳輸目標，已經超過了IEEE1394-1995規格所定的速度，即使USB仍然有一些問題有待解決，不過占盡價格與技朮優勢的USB將成為PC總線標準的主流已經是必然的趨勢.

USB的主要特性簡述

l 經濟性：

USB 提供低價位的連接周邊裝置方案，一次最多可以連結多達127個裝置。

l 熱插拔及Plug&Play的功能：

USB自動偵測裝置連接，軟件會自動將其規劃，以供立刻使用。此過程中，不 需要使用者介入。

l 纜線供電：

USB支持多種傳輸速率，可分為低速(Low Speed)1.5Mb/s及高速(Full Speed)12Mb/s。另2.0版USB傳輸速率為480Mb/s，3.0版USB傳輸速率為4980Mb/s；3.1版USB傳輸速率為10G/Mbps;即將在年底商用的USB4傳輸速率更是達到恐怖的40G/Mbps;版本的其中，前者使得低速/低價裝置之使用成為可能。此乃因為纜線可被設計為不需要遮蔽因而價格降低。周邊裝置可直接由纜線供電。后者可提供5.0VDC的電力。視集線器連接器埠而定，USB2.0系列及以下版本電流的范圍是100mA-500mA;而USB 3.0提供了5V/0.9A電源。但人們任然希望更強的供電能力，于是USB 3.1(SuperSpeed+)將供電的最高允許標準提高到了20V/5A，供電100W。

l 免除系統資源需求：

與ISA、EISA和PCI裝置不同的是，USB裝置不需要記意體或輸出入地址空間(DMA)以及IRQ線。

l 錯誤偵測與復原：

USB交易包含錯誤偵測機制以確保數據的正確傳遞。當錯誤發生時，交易將被重試。

l 節省能源：

若是經過3ms總線沒有動作，USB裝置會自動進入省電狀態。此時，裝置所消耗的電流不超過500uA。

l 支持四種傳輸：

USB定義四種傳輸形態以支持各種不同裝置的需求。這四種形態包括(巨量、實時、中斷及控制傳輸)。

備注:

ISA: industry standard architecture 工業標準結構

EISA: Extended industry standard architecture 工業標準延伸架構

PCI: Peripheral Component Interconnect 外部組件互連

DMA: Direct Memory Access 直接內存存取

IRQ: Interrupt Request 中斷要求

USB的接口成長歷程

USB規范的不斷更新，從通訊速率到接口形式都有顯著變化，從下表可以看出通訊速率成倍的增加，目前最快的理論數據通信速率USB4和雷電接口相容達到了40Gbit/s，接口形式也從少到多，最后歸一到Type-C一種，符合當前人們對高速率通信和大充電的需求

1 USB1.X時代

在USB 1.0時期，大多設備沒有預留USB口，操作系統支持也不夠，USB文件觀念過于抽象，導致USB技術普及非常困難。在USB 1.1時期，USB通訊速率提高，并且windows98操作系統中內置了USB接口模塊，USB才受到了外設廠家的普遍青睞。

2 USB2.X時代

2000年8月，正式公布USB 2.0標準。在USB 2.0規格中，最重要的是增加更高的數據傳輸速率480 Mbps，屬于半雙工通信，現在仍然廣泛使用。

USB 2.0將其帶入了輝煌時期，在主機端，個人電腦幾乎都支持USB，在設備端，使用USB接口的設備與日俱增，例如數碼相機、掃描儀、打印機、鼠標、鍵盤等。其最大優勢在于“熱插拔 ”、“攜帶方便”、“標準統一”、“可連接多個設備”，并逐步淘汰了PC機的并口和其他老舊接口。

在USB 2.0時期，增加了USB的補充協議，OTG(On-The-Go)，USB接口增加了ID引腳，作為主機和從機的判斷依據。OTG主要應用于各種不同的設備或者移動設備間的聯接，進行數據交換，比如PAD、手機、消費類設備等無主機的情況下通信。

3 USB3.X時代

USB3.0，就是新一代的USB接口，特點是傳輸速率非常快，理論上能達到5Gbps，全面超越IEEE 1394和eSATA，增加了更多并行的物理總線，實現全雙工通信。

在USB3.1以后基本上使用了Type-C接口，通信速率也是成倍增加，Type-C的24個可定義針腳遠超USB-A與USB-B。

4 USB4.X未來時代

USB-IF聯盟已經發布了USB4.0的協議標準，按照協議標準，USB4.0最高速率可以達到40Gbps，采用USB-C接口(具體引腳功能還在制定中)，屆時USB接口可以支持PCIE的設備，屆時USB接口可以直接外接顯卡，體驗超高清視頻畫面。

USB更新接口最讓人期待的變化-PD充電

在USB 2.0時代，可提供5V@500mA=2.5W的電力，而USB-IF協會旗下Battery Charging工作小組開始推動以USB/miniUSB/microUSB連接線做為行動裝置電池供電器的充電規范。包括2007年Battery Charging(BC) v1.0規范，與2009年BC v1.1規范；2008年USB 3.0規范推出后，可提供5V@900mA=4.5W的電力，雖然USB 3.0提供了5V/0.9A電源。但人們任然希望更強的供電能力，于是USB 3.1(SuperSpeed+)將供電的最高允許標準提高到了20V/5A，供電100W。

無論是USB 2.0的2.5W、USB 3.0的4.5W或BC 1.2的7.5W，這些過去伴隨在USB匯流排的充電／供電規格，雖可符合像是手機、MP3的充電需求，但往往需要耗費很多時間才能充飽電；即便是BC 1.2規范上，僅7.5W的供充電功率，光對一般智慧手機充電就要耗費數十分到數小時不等，對稍大尺寸的平板甚至筆電裝置，要做充電／供電根本辦不到。

于是USB-IF另外成立了電力傳輸(Power Delivery)工作小組，著手進行藉由USB匯流排提供更大功率充電／供電電流的雄心。2012年7月首度公布USB Power Delivery(PD) 1.0規范，透過5種供電設定級別(Profile 1～5)，最高達100瓦的電力傳輸量，以及供電端(Source)與接電端(Sink)可以互向的雙向式的電源供應特性，讓各種裝置均能透過單獨一條USB線纜滿足供電需求，縮短裝置充電時間并優化行動應用的便利性。同時能夠跟既有USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0充電規范相容。

USB Power Delivery技術與架構詳解

USB Power Delivery (USB PD)在充電／供電規格上，制定了最基本的Profile 1 (提供5V@2A, 10W供電，適用于手機、數位相機等可攜裝置)、Profile 2 (提供5V@2A、12V@1.5A, 10～18W供電，適用于平板電腦、外接儲存裝置)、Profile 3 (提供5V@2A、12V@3A, 10~36W供電，適用于Ultrabook、變形平板等裝置)、Profile 4 (提供5V@2A、12/20V@3A, 10～60W供電，這是microUSB能支援的最大供電規格，適用于一般高效能筆電、AIO電腦)，以及最高級別Profile 5 (提供5V@2A、12/20V@5A, 10～100W供電，用于標準A/B與Type-C連接頭，可接液晶顯示器、平面電視)。

USB PD架構上定義了供電端(Provider)與受電端(Consumer)，兩端各自有數據溝通以及提供額外電力的IC晶片(SuperSpeed InterChip；SSIC)，并利用23.2MHz的VBUS收發載頻，以300kbps傳輸速度來傳遞Frequency Shift Keying(FSK)信號，并決定實際發送的電壓值與電流值；而在8月新公布的USB PD 2.0規格，則首度支援新型態的無方向性Type-C連接頭，并改采藉由CC匯流排進行雙向溝通并決定發送電壓／電流值。

支援USD PD的連接頭，則在傳統USB連接頭圖案左邊加了SS字母，而同時支援USB 3.1與PD 2.0的USB連接頭，還在右上方多加了一個10的字母，代表著具備10Gbps的高傳輸速率。以USB PD Standard-A連接器為例，在板端的USB PD Standard-A插座內增加了PD Detect腳位，利用USB接頭與插座之間的偵測腳位接觸與否，來判斷所連接的纜線是否支援USB PD規格。

USB PD Standard-B連接器，則透過 USB PD Standard-B插座內的ID腳位，來判斷所連接的纜線是否支援USB PD規格。同時依據內置電容位置，來判斷承受3A電流或5A電流負載。

USB PD的應用與市場動態

傳統的使用情境，主機多半作為供電端，提供電力給連接的螢幕顯示器(或螢幕自己獨立接電源)、筆電或硬碟；手機和硬碟作為受電端，可吃主機或筆電的電。透過USB纜線供電給一部設計功率65瓦的筆記型電腦，并可再與另一臺螢幕相連作為延伸桌面顯示。當顯示器、筆電與平板都支援USB PD時，顯示器、筆電與平板可是供電端也可以當受電端。當筆電、平板電力不足或沒帶電源供應器時，可透過螢幕來供電；當螢幕需要電力時，也可透過主機、筆電或平板進行供電。這兩者也可以在其他裝置像是手機、外接硬碟等需要電力時，透過USB Hub的連接來傳送電力，或者反過來透過Hub傳送電力給筆電、平板，同時仍可進行資料傳輸。

這樣雙向性的靈活串接運用，只要在產品供電端與受電端增加USB PD數據溝通IC，隨插即充的夢想即可實現。USB PD技術根基于既有低價且已大量普及的USB 介面與纜線，未來在各種USB PD產品應用想必可以加速普及，自然也成為各廠家在未來所期待的USB最值得推崇的技術應用。

就市場面來看，除了英特爾(Intel)為USB PD的主要技術推手，不乏大家熟知的Weltrend偉詮、VIA威鋒、Richtek立锜、Leadtrend通嘉、NXP恩智浦、Cypress賽普拉斯，慧能泰等芯片原廠等，特別是大家熟知的國內PD芯片領導者品牌深圳慧能泰PD產品支持18W到100W的功率范圍，也支持雙口和多口的智能分配功率應用，是PD電源市場極具競爭力的選擇。隨著USB PD快充及高通QC4+快充的普及，目前市面上已有多款設備支持了USB PD快充，甚至不少手機已經率先支持了USB PD3.0(PPS)協議，用戶群數量也在不斷增加，整個USB PD快充生態已經具備一定規模，市場前景一片火熱。從數據中也可以看到，僅2018年上半年以來就已有10款芯片取得協會的USB PD3.0(PPS)認證(認證中、開發中的不計)，可見各原廠對市場風向的把控是非常精準的；同時隨著這些認證芯片的投產及應用，相信過不了多長時間 ，市面的上的充電器、車充、移動電源將迎來一輪的大規模更新換代。

總結

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