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详解USB 4和USB PD

文章出处:JAE日本航空电子 责任编辑:共营电子 发表时间:2023-10-03
  

  ​USB4  
USB4 和 USB Type-C 都是USB Implementers Forum, Inc. (USB-IF) 的商标。包括电脑、智能手机和游戏设备在内的各种设备都组装有USB Type-C 连接器。
USB Type-C 标准规定了连接器的形状(接合面),但是当使用USB Type-C连接器时,仍存在各种标准(例如,USB 3.2、USB4 和 USB-PD),对诸如要传输的信号类型、速度和功率等做出规定。
USB4是2019年9月发布的最新USB规格,其传输速度是USB3.2(最大20Gbps)的2倍(最大40Gbps),已被组装在需要大容量数据传输或高速传输的设备上。


  USB4连接器形状类似以前的USB Type-C连接器  


使用 USB Type-C 连接器的连接总是可提供一个可选功能,称为替代模式,支持除 USB 之外其他标准的传输。
使用 USB4,最大可用带宽可扩展至 40Gbps,是 USB 3.2 Gen 2x2 的两倍。USB4 现在能够根据每个信号的要求,在 40Gbps 内动态控制带宽分配。这就是 USB4 实现的隧道概念。将多种传输标准结合到一个接口中,更方便用户使用。
根据设备,也可实现 USB 3.2、DisplayPort 和 PCIe 隧道。每个信号的带宽分配也可在可用的总带宽内进行优化。这有助于提高传输效率,因为隧道传输的单个信号没有固定的传输带宽。
USB4 还兼容 USB 3.2 Gen 2 原生传输和替代模式。尽管传统的替代模式可以传输除USB之外的信号,但是一种协议只能接收其专用信号路径和带宽,无法再更改或重新分配。但 USB4 的隧道功能能够在可用的 40Gbps 内根据每个信号的要求有效分配带宽,使USB4数据包能够在同一传输路径上传输 USB 以外的信号。

  将传统最大带宽增加一倍,并支持不同协议的隧道  


  兼容多种协议的隧道  


USB4 定义了两个速度等级:USB4 20Gbps 和 USB4 40Gbps。尽管有时会分别标记为 Gen 2 和 Gen 3,但新品牌名称将只显示数据速率,以减少用户混淆。与 USB 3.2 一样,USB4 使用 USB Type-C 连接器中的两个超高速通道,实现单通道接口的两倍数据速率。



  USB PD  
2021年5月发布的USB设备供电规格“USB Power Delivery Revision 3.1”中新增了EPR(Extended Power Range)模式,同时发布的电缆/连接器规格“USB Type-C Specification Release 2.1”中包含了对EPR的支持。该EPR的最大供电能力从之前规格的20V/5A(100W)提高到48V/5A(240W),有望用于向游戏电脑,4K显示器等需要较大电力的设备供电和充电。
USB PD是由USB Implementers Forum(USB-IF,USB 开发者论坛)建立的标准。使用USB Type-C 连接器和线缆,不仅使 USB BC 1.2(电池充电规范修订版 1.2)能够支持7.5W (5V/1.5A) 以上电源,线缆和连接器还可用于与主机同步、交换主机和设备角色以及协商非 USB 协议的传输。(替代模式)
在USB PD 规范出现之前,使用 USB 端口供电时,电压被限制在5V。采用USB PD 标准可以扩大电压范围,使更高水平的功率传输成为可能,而采用新的 EPR 标准后,电压范围将进一步扩大。采用USB PD R3.1 (EPR),最大功率从100W (20V/5A) 增加到240W (48V/5A)。

  USB 标准中定义的电源要求  


  USB PD概述  
- EPR 模式激活后,功率可从100W (20V/5A) 增加至240W (48V/5A)。
- 除了现有的 5V,9V,15V 和 20V 固定电压电平,还可选择三种新的固定电压电平:28V (>100W)、36V (>140W) 和 48V(>180W)。
- 在 adjustable voltage supply (AVS,自适应电压调节) 模式下,根据可用电源的不同,电压最小为15V,最大为三个电压(28V、36V 或 48V)之一。该器件能够以 100mV/50mA 的增量精确调节理想电压。这可提高充电和热效率。

  USB PD 3.0 和 USB PD 3.1 加上 EPR 后的对比  


  使用 EPR 后扩展的功率范围  


主要优势
- 电压更高,可传输更高功率。
- 与之前的 USB PD 规格相比,功率增加 100W 以上,适用于更广泛的应用。
- 通过 AVS 精确调节至理想电压,提高同步能力和热效率。

对USB Type-C标准连接器和线缆要求
当 USB PD 标准更新至版本 3.1 时,USB Type-C 标准也更新至版本 2.1。

对连接器没有额外要求
- USB 端口必须带有以下标识。

图:各种线缆认证图标

线缆组件中增加了 EPR 线缆要求
- EPR 线缆必须能够在功能上支持 50V 和 5A 运行。
- 线缆必须支持 53.65V 的最低工作电压
- VBUS 路径中的电气部件(例如旁路冷凝器)的额定电压必须至少为 63V。
- 所有 EPR 线缆必须采用数字化标记,电子标记必须包含 EPR 特定信息。
- EPR 线缆应兼容 50V、5A。
- EPR 线缆必须采用 USB-IF 定义的线缆标识,能够通过视觉加以识别。

不再推荐 100W USB Type-C 至 USB Type-C 线缆
- USB-IF 建议所有 5A 线缆兼容 240W,并已于 2021 年 12 月 22 日停止对 100W 线缆的认证。


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