設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品 USB 功能的工程指南

作者： Shawn Wasserman

任何 20 世紀(jì) 90 年代見(jiàn)過(guò)（或設(shè)計(jì)過(guò)）消費(fèi)電子產(chǎn)品的工程師都知道，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和電源連接的年代是多么痛苦。在這個(gè)“前”通用串行總線 (USB) 時(shí)代，你的抽屜里不得不裝滿各種形狀和尺寸的電纜。

USB-C 插座連接器。（圖片：DigiKey、Amphenol ICC）

通用串行總線 (USB) 稱呼中使用“通用”一詞可能會(huì)讓人覺(jué)得名不副實(shí)，畢竟可用選擇還是有那么多。但在 USB 誕生之前，每家公司和每種型號(hào)都有專有的電源和數(shù)據(jù)連接。雖然花費(fèi)了一些時(shí)間，但 USB 已大大減少了選擇?，F(xiàn)在，隨著 [USB-C] 可能成為真正的通用 USB，工程技術(shù)有望進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

那么所有這些不同的 USB 選擇又是怎么回事呢？

在設(shè)計(jì)兼容 USB 的電子產(chǎn)品時(shí)，工程師仍然需要做出各種決定。以下是您需要了解的基本情況。首先，USB 分為四種不同的類別：

1. 插頭（又稱連接器）：USB 電纜/設(shè)備插入另一設(shè)備的任何物理部分
2. 端口：插入插頭的設(shè)備部分
3. 類型：USB 插頭或端口的物理形狀界定
4. 版本：設(shè)備兼容的特定 USB 協(xié)議

插頭過(guò)去只有 Type-A 和 Type-B。

USB-A 插座連接器。（圖片：DigiKey、Amphenol ICC）

[Type A 似乎經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)]，而且新版本還能向后兼容。不過(guò)，每個(gè)版本都會(huì)改變端口的顏色并增加插針（以提高數(shù)據(jù)和充電速度）?，F(xiàn)在，這個(gè)標(biāo)志性的 USB 插頭正被 Type-C 所取代。

用于 USB 1.0 至 2.0 版本（左）和 3.0 至 3.2 版本（右）的USB-B 插座連接器。（圖片：DigiKey、On Shore Technology Inc. [左]、Amphenol ICC [右]。）

[Type B]并不常見(jiàn)，僅用于打印機(jī)等大型電子設(shè)備。對(duì)于[不同的 USB 版本，較大的 Type-B 端口和插頭形狀也會(huì)發(fā)生變化]。

隨著 USB mini-A、micro-A、mini-B 和 micro-B 的出現(xiàn)，較大的 USB 插頭最終獲得了標(biāo)準(zhǔn)尺寸的稱號(hào)。除非主機(jī)設(shè)備很小，否則大多數(shù)電子產(chǎn)品都會(huì)選擇標(biāo)準(zhǔn)的 Type-A 插頭和端口，因此 mini-A 和 micro-A 非常少見(jiàn)。大多數(shù)外設(shè)會(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況選擇 mini-B 和 [micro-B]接口。實(shí)際上，人們說(shuō)“mini-USB”和“micro-USB”時(shí)，指的就是 USB mini-B 和 micro-B。

USB mini-B 插座連接器（左）和 USB micro-B 插座連接器（右）。（圖片：DigiKey、Hirose Electric Co Ltd [左]、Amphenol ICC [右]）。

與其前身類似，[micro-B 在使用 USB 3.2]版時(shí)也會(huì)改變形狀，但這種情況也很少見(jiàn)。

USB3.2 版 micro-B 插座連接器（圖片：DigiKey、Amphenol ICC）

老式 USB 線幾乎都是一端是 Type-A，另一端是 Type-B，有標(biāo)準(zhǔn)、小型或微型之分。這是因?yàn)?USB 數(shù)據(jù)傳輸一直都是雙向的，但以前供電只能從主機(jī)設(shè)備（帶 Type-A 端口）傳輸?shù)酵鈬O(shè)備（帶 Type-B 端口）。在最新的 USB4 和 USB4 2.0 版本中，電源是雙向的，這就要求在主機(jī)和外設(shè)上都使用 USB-C。

工程師在開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品時(shí)應(yīng)選擇哪種 USB 呢？

答案其實(shí)取決于具體應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn) USB-A 仍在廣泛使用。因此，如果考慮到向后兼容性，最好選擇這種方案。

如需高充電和數(shù)據(jù)傳輸速率，USB-C 是最佳選擇，因?yàn)樗軌螂p向充電，同時(shí)在 48 V 和 5 A 的電壓下保持 40 Gbps 和 240 W 的傳輸速率。USB-C 也可以說(shuō)是真正的通用 USB。主機(jī)設(shè)備和外圍設(shè)備都可以使用。其連接線是雙向的。端口可以完全反轉(zhuǎn)，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)接反的問(wèn)題。由于它是唯一能與當(dāng)前 USB 版本兼容的端口，因此也代表了該技術(shù)的未來(lái)。實(shí)際上，它已經(jīng)越來(lái)越受歡迎，即便是 USB 充電器和主機(jī)設(shè)備，現(xiàn)在也在選擇放棄 Type-A。

但是，工程設(shè)計(jì)并不總是著眼于未來(lái)和向后兼容性。成本、零報(bào)可用性和遺留系統(tǒng)將決定具體選擇。因此，在做出最終決定時(shí)，參考下表應(yīng)該會(huì)有所幫助。

總之，USB 中的“U”并不意味著連接器是通用的，至少目前還不是。因此，在做出任何設(shè)計(jì)決定時(shí)需經(jīng)綜合考慮各種因素。數(shù)據(jù)傳輸速率、功率傳輸規(guī)格和連接器尺寸都會(huì)對(duì)您設(shè)計(jì)所適合 USB 的規(guī)格產(chǎn)生影響。

審核編輯 黃宇