如何使用 USB-C 簡化連接性

作者：Art Pini

個人電腦、筆記本電腦和平板電腦的尺寸越來越小，幾乎沒有空間留給接口和電源連接器了。與此同時，數據速率卻越來越快，數據、音頻和視頻接口標準的數量也越來越多，每種標準都有自己獨特的接口連接器。然而，用戶依然對簡易性和靈活性青睞有加。只要采用 USB Type-C? (USB-C) 物理連接器，這些問題便可迎刃而解。

本文簡要討論了現代連接性要求以及如何使用 USB-C 滿足這些要求。文中以 [Tripp Lite by Eaton]的 USB-C 塢站、連接器和電纜為例，展示了如何使用這些產品來簡化設備連接性。

USB 標準

USB 接口標準最初是一種外設總線，用于連接計算機接口設備，例如鍵盤、鼠標和可移動存儲器。多年來，該標準已發展成一系列標準，成為電腦、外設和手機的主要接口。此外，標準中還增加了功率輸送 (PD)，并支持各種協議的隧道傳輸，例如 DisplayPort (DP)、以太網和高清多媒體接口 (HDMI)。最新版本的 USB4 支持 40 Gbps 的數據速率和高達 240 W 的 PD（修訂版 3.1）。該版本仍保持著與 USB 3.2 和 USB 2.0 等早期標準版本的向后兼容性。

那些使用 USB 的連接器已經從最初的 USB-A 和 USB-B 連接器及其變體發展到目前的 USB-C 連接器。USB 3.2 第 2 代支持高達 10 Gbps 的數據傳輸，這是最后一種允許使用舊版 USB-A 和 USB-B 連接器的 USB 標準。USB 3.2 第 2x2 代支持 20 Gbps 的數據速率，并且需要使用 USB-C 連接器，USB4 也是如此。

USB-C 連接器

USB-C 等 USB 物理連接器有別于 USB4 等 USB 接口標準。USB 連接器由插頭和插座組成，其規格由 USB 開發者論壇 (USB-IF) 單獨指定。USB-C 連接器的吞吐率和功率都很小，僅比 USB-A 微型連接器稍大一點，因此適用于小型設備。

USB-C 連接器采用 24 個引腳，其排列方式允許在任一方向與匹配觸頭配接，因此連接器可正反兩插。通過 USB-C 連接器的信號引腳分配，可了解 USB 標準的功率、數據和控制功能（圖 1）。

圖 1：圖示為 USB-C 連接器信號引腳分配；可在任一方向與匹配觸頭配接，因此連接器可正反兩插。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

USB PD 是一種交互式功率輸送規格，可讓設備通過 VBUS 引腳和接地引腳協商供電、受電（負載）和所供應的功率水平。其中包含四個 VBUS 電源觸頭和四個接地觸頭。最大功率水平由設備使用的 USB 標準規定，并符合 USB PD 規格。根據 USB PD，電源和負載設備之間的電源合約是使用通道配置 (CCx) 線路協商達成的。

CCx 線路可用于檢測連接方向和通道配置。此外，這些線路還可用于電源控制以及與 USB PD 的信號傳輸。根據 USB PD，當供電電壓為 48 V 且電流水平為 5 A 時，最大功率水平可達 240 W。雖然所有 USB-C 電纜都包含 CCx 線路并支持 USB PD，但此類電纜可能不支持 USB PD 中規定的全部電壓和電流范圍。用戶應參考電纜規格書來了解受支持的功率水平。

專用的 D+ 和 D- 線路仍然與舊版 USB 2.0 標準的兼容性，舊版的數據速率低于目前的 USB 版本。

藍色突出顯示的引腳包括四個差分信號對，形成了兩個支持 SuperSpeed USB 的數據通道。USB 3.2 第 2x1 代支持 10 Gbps 的數據速率，USB 3.2 第 2x2 代支持 20 Gbps 的數據速率，而 USB4 第 3x2 代則支持 40 Gbps 的數據速率。

邊帶使用（SBU1 和 SBU2）線路是 USB-C 規格支持的交替媒體模式中使用的輔助信號，可實現連接器組的多功能性。AUX 通道負責鏈路管理和測試模式控制。當設置好設備間的電源合約后，USB PD 就會啟動交替模式（Alt 模式）數據鏈路，例如 DP。它通過 SBU 鏈路使用供應商定義消息 (VDM) 協商 Alt 模式握手。當 DP Alt 模式協商完成后，DP 將進行鏈路訓練以建立連接。DP 鏈路訓練可優化 DP 供電與受電之間的鏈路，確保流數據的穩健連接。利用 DP Alt 模式，USB-C 電纜可處理 USB 數據、視頻圖形陣列 (VGA)、數字視頻接口 (DVI)、HDMI 和 DP 視頻信號。

若要通過 USB 發送交替協議，一種可選方法是使用協議隧道傳輸。協議隧道傳輸可在一種協議中創建數據管道，該協議便可通過電纜發送另一種協議的數據。利用這種機制，USB-C 隧道可以在設備之間發送 DP 或 PCIe 數據。

USB 電纜

USB-C 電纜提供各種長度、功率容量和數據傳輸速度，以配合所使用的 USB 標準。Tripp Lite by Eaton 提供近百種 USB-C 電纜，為使用 USB-C 連接器的設備提供了廣泛的功能和擴展選項。

[U520-31N]就是一個很好的例子，這是一種兩端都有插頭的 USB4 電纜。該產品支持 DP Alt 模式，以 60 Hz 的刷新率提供 4K 或 8K 視頻分辨率。此外，U520-31N 還兼容 USB PD，在 20 V 電壓下的額定電流為 5 A，可提供 100 W 的功率。電纜長度為 2.6 ft.(0.7925 m)，額定最大傳輸速率為 40 Gbps。請注意，USB-C 電纜的最大傳輸速率與長度成反比。

相比之下，[MTB3-01M5-5A-B]（圖 2）是一款兼容 USB 3.2 第 2x2 代的電纜，額定數據傳輸速率為 20 Gbps，支持 60 Hz 下 4K 視頻分辨率。與 USB4 電纜一樣，該產品也兼容 USB PD，額定功率也是 100 W。這種電纜的長度為 5 ft. (1.5 m)，因此最大數據速率較低。

圖 2：MTB3-01M5-5A-B 是一款 USB 3.2 第 2x2 代電纜，支持高達 20 Gbps 的數據速率。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

USB-C 適配器

適配器連接到計算機的輸入/輸出 (I/O) 端口，并將其協議轉換為另一種標準。例如，Tripp Lite by Eaton 的 [U436-06N-GB-C]就是一款 USB-C 轉千兆位網絡適配器，可與使用 USB 3.0、USB 3.1 第 1 代或 USB 3.2 第 1 代的設備配合使用，數據速率高達 5 Gbps（圖 3）。

圖 3：U436-06N-GB-C 是一款 USB-C 轉千兆位以太網適配器，帶有一個 USB-C 充電端口。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

輸入連接器是一個 USB-C 插頭，輸出連接器則是一個以太網 RJ-45 插孔。適配器還包括一個 USB-C 插孔，可提供高達 60 W 的功率（在 3 A 下為 20 V）。如果無法使用無線連接或連接速度太慢，這款適配器可讓僅配備 USB-C 的筆記本電腦使用有線以太網連接。

鑒于 USB 標準可以處理多種不同的協議，多端口適配器的出現也就順理成章了。這些適配器通常提供小型筆記本電腦不再提供的數據通信端口。

[U444-06N-H4GUC2] 就是一個很好的例子。該適配器支持通過計算機的 USB-C 端口提供數字音頻、60 Hz 下的 4K 視頻、USB PD 以及千兆位以太網（圖 4）。

圖 4：U444-06N-H4GUC2 多端口適配器可為計算機增加 HDMI、以太網、一個 USB-C 充電端口和一個 USB-A 端口。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

在 U444-06N-H4GUC2 上，USB-A 端口可提供 7.5 W 的功率（在 1.5 A 下為 5 V），而 USB-C 充電端口則可提供 25 W 的功率（在 5 A 下為 5 V）。

塢站將筆記本電腦轉換為工作站

塢站通過 USB-C 連接器增加多個端口，以此擴展筆記本電腦的連接性。它們基本上可以將筆記本電腦轉換為多功能工作站。例如，Tripp Lite by Eaton 的 [U442-DOCK2-S]USB-C 為 HDMI、mini DP、VGA、以太網、SD 和 microSD 存儲器、USB-C 功率輸送和三個 USB-A 連接器增加了專用端口（圖 5）。此外，還包括一個 3.5 mm 耳機插孔。

圖 5：U442-DOCK2-S USB-C 塢站增加了筆記本電腦可用端口的數量和類型，其中包括音頻、視頻、存儲器、USB 和以太網。（圖片來源：Tripp Lite by Eaton）

mini DP 和 HDMI 端口支持 30 Hz 下的 4K x 2K 分辨率視頻，VGA 端口則支持 60 Hz 下的 1080P 分辨率。以太網 RJ-45 端口支持 10/200/1000 Mbps 以太網。三個 USB-A 端口可用于連接 USB 外設，例如鍵盤、鼠標、閃存驅動器、打印機或智能手機。這些端口可提供高達 7.5 W 的直流電源（在 1.5 A 下為 5 V）。雙向 USB-C 充電端口可處理高達 60 W 的功率（在 3 A 下為 20 V）。

筆記本電腦的 USB-C 端口能夠讓各種各樣的接口使用 USB 標準的多協議功能。

總結

USB-C 連接器支持高達 40 Gbps 的數據吞吐率，PD 功率高達 120 W，并且可正反兩插。為了幫助充分利用這些功能，Tripp Lite by Eaton 以電纜、適配器和塢站的形式提供各種各樣的 USB-C 解決方案，以通過單個 USB-C 連接器支持強大的功能和連接性。

審核編輯 黃宇