專題論壇 | 兼容、安全、可擴充 USB Type-C 傳輸介面統一有進展

本文作者：胡懿存，UL 電線電纜部 USB、DP、ThunderboltTM認證審核工程師

USB Type-C^TM具備多工、體積小、正反面可插拔等特性，不僅被多個協會採納，應用裝置也陸續搭載使用，讓USB Type-C^TM接口有望一統過去紛亂的高速傳輸介面，因此備受矚目。國際安全科學機構UL，與各介面技術合作，擁有USB Type C^TM、Thunderbolt^TM、DisplayPort等多項測試認證資格，從市場現況分析高速傳輸介面的現況。

USB Type-C^TM是一個可實現數據、影音、電力傳輸等的多功傳輸介面，體積小，可支援正反插，除了支援USB自身的標準USB 2.0、USB 3.2，更被多個協會採納作為傳輸介面，如美國視訊電子標準協會(VESA)的DisplayPort、HDMI，以及Intel推出的Thunderbolt^TM。USB Type-C^TM內建24根Pin，支援兩對高速傳輸通道及一對低速通道，可傳輸多種協定；在電力傳輸上，也從5V/3A的15瓦，提升到最高可支援20V/5A的100瓦能力。目前許多裝置都採納USB Type-C^TM介面，包含蘋果在新版的iPad Pro上也導入了USB Type-C^TM，同時越來越多的消費性電子產品也採用USB Type-C^TM，介面的一統發展似乎漸漸明朗。

國際標準IEC採納USB規範

USB為推廣自家技術，也將標準提交到國際電子電機委員會 (IEC)。透過IEC標準的採納，讓USB的規範被更廣泛的應用，也藉此有效的減少設計不良及仿冒品的危害。IEC在2016年正式宣布USB規範核准納入IEC 62680系列標準中，下方〈表1〉羅列了其對應關係。

〈表1〉IEC 62680與USB標準對應表

IEC Standard	USB Specification
IEC 62680-1-2	USB PD Rev. 3.0 v1.0
IEC 62680-1-3	USB Type-C™ Cable and Connector Specification
IEC 62680-1-4	USB Type-C™ Authentication Specification
IEC 62680-2-1	USB Rev. 2.0
IEC 62680-2-3	USB Cables and Connectors Class Document Rev. 2.0
IEC 62680-3-1	USB 3.1 Specification

頻寬升級迎需求 電力支援以安全為要

近幾年，發展USB技術並推廣其應用的USB-IF協會頻頻更新規格，早在2008年推出USB 3.0，2013年再度推出USB 3.1，2017年又將USB 3.1改良為USB 3.2，而根據最近市場消息，USB又將於2019年上半年推出USB 4的規格。這些規格最大的差異，便是傳輸頻寬的增加，USB 3.0的5Gbps、USB 3.1的10Gbps、USB 3.2的20Gbps、到USB 4的40Gbps，短短幾年頻寬便增加了8倍，皆是為了符合日益增加的需求。

不論是高畫質的影像、未壓縮的音源檔、高速傳輸的資料，都有極大頻寬的需求。除提高了終端產品的設計難度，因超高速的頻寬需求，搭載的線材也必須相應提升該有的能力。以往幾十元便可買到的USB線，卻無法支援高速的資料傳輸及電力供應。因此，消費者必須建立正確的認知，了解應如何挑選適合自己使用環境的元件。

另一方面，在電力傳輸能力的進展上，仍停留在2012年發表的USB Power Delivery(PD)規格，雖PD有不少新的附加功能被設計出來，然而最高支援20V/5A的100瓦電力傳輸能力卻一直沒有變動。主要在於以USB線纜來傳輸100瓦這件事是具有一定程度的危險性。即便如此，已有相當多的消費性電子裝置是透過USB PD來進行電力的供應，因此衍伸出許多廠商因考慮到安全性，而對自家產品所附的USB Type-C^TM充電器或線材進行所謂的“綁定“，也就是必須使用原廠提供的配件，否則無法進行高速充電，以確保安全。

UL 9990標準補強電力傳輸安全

為了提升更好的使用體驗，USB也不斷在現有PD架構下新增附加功能，例如Fast Role Swap(FRS)和Programmable Power Supply(PPS)。

FRS的概念如同安裝在裝置中的不斷電系統。如〈圖1〉，試想一個USB的Hub (集線器)，本身的充電器供電給該Hub以及連接至Hub的Host (主機)及Device (裝置)，因此，Hub、Host、Device皆是受電端，當Hub的充電器被拔除時，FRS的機制便啟動了，此時Hub裡內建的Hold Capacitor會持續供電給受電端，內建電池的Host則會由受電端轉換角色變成供電端，持續供電給Hub及Device，整個過程會在150µs內完成。關鍵就在於Hold Capacitor的不斷電功能，讓裝置間能進行快速溝通，決定由受電變成供電的角色。這個有趣的機制雖然技術難度不高，但卻非常實用，再加上USB PD的支援，可以讓裝置不再是單一的角色，對於使用者而言可更確保連接的品質。

〈圖1〉Fast Role Swap行為模式

(資料來源：USB開發者大會，2017)

行動裝置快充機制的市場相當多元，高通的QC、OPPO的VOOC、MTK、華為的Super Charge、德州儀器都推出了自己的快充標準。為因應目前市場多樣的行動裝置充電機制，USB-IF在PD 3.0加入了另一個功能Programmable Power Supply(PPS)，PPS步進調幅電壓為20mV，動態調整範圍從3V到21V，因此支援低電壓高電流〈如圖2〉及高電壓低電流的快速充電模式，從技術及測試層面來看更直接含括了高通的QC4標準。

〈圖2〉Programmable Power Supply快速充電機制

(資料來源：USB開發者大會, 2016)

PPS除了達到快速充電的效能外，更要求安全性，因此加入了過電流保護機制、過熱保護機制，並要求裝置間每10秒必須進行一次溝通以交換資料，來確保供電端能配合受電端的負載能力，進行低電壓高電流及高電壓低電流的模式切換。

即使如此，透過Type-C^TM 線纜來傳輸如此高功率的電力，確實也產生了許多安全性的問題。為解決高速電纜的安全隱憂，國際安全科學機構UL也對此發布針對高速傳輸數據電力線纜的安全標準UL 9990，UL 9990主要是針對資訊用線的安全性進行評估，並透過對用料的控管及機械測試來確保該線材是安全無虞的，提供市場安全的使用環境，解決因兼容性產生的安全問題。

Alt-Mode加持 融合多元技術

USB Type-C^TM的高擴充性，讓許多技術開始採納它為傳輸介面，包含HDMI、DisplayPort、Thunderbolt、MHL等技術，其中最廣為人知的便是VESA協會的DisplayPort及Intel推動的Thunderbolt 3，這兩個技術在導入USB Type-C^TM為傳輸介面後，便使市佔率逐步提升，是相當具代表性的成功案例。

如〈圖3〉在Alt-Mode底下，USB 24pin的高擴充性發揮了各自的作用，USB Power Delivery是在CC pin上傳輸，PD有個VDM (Vendor defined message)功能，定義了裝置端ID，讀到支持Alt-Mode的裝置，裝置便會就進入Alt-Mode模式，在這個模式底下會把高速傳輸對拿來作為協定的訊號傳輸對進行資料傳輸。以DisplayPort為例，Lane 0-3使用TX1 & RX1 及TX 2 & RX 2來進行影像資訊的傳輸，AUX則使用SBU1及SBU2，HPD則是在CC pin上進行偵測，幾乎可以說是完美替代了原本DisplayPort的腳位定義。

〈圖3〉 USB Type-C^TM Alternate Mode

(資料來源：USB Type-C^TM Specification)

在導入USB Type-C^TM為傳輸介面之前，VESA協會的DisplayPort一直以來都是以DP及miniDP兩個介面為主，但普及率一直不如HDMI，VESA於2014年9月即推出DisplayPort Alternate Mode(Alt-Mode)，使USB Type-C^TM能原生支援DisplayPort，並在隔年2月發表DP 1.4的標準，使USB Type-C^TM 線纜可以同時運行USB及DP的訊號，並提供電力支援的能力。

Intel的Thunderbolt^TM是另一個將USB Type-C^TM功能發揮到淋漓盡致的技術，Intel的Thunderbolt 3是目前最高端的外接傳輸介面，在早期的Thunderbolt^TM及Thunderbolt^TM 2將miniDP做為其傳輸介面，技術難度及建置成本高、市場對高速傳輸的需求低、專利權一直掌握在特定廠商手上，造成這個技術的推廣一直不普及，但在Thunderbolt^TM 3推出後，這個局面整個改變，幾個因素包含了授權的開放、市場技術的需求，但最重要的莫過於USB Type-C^TM介面的導入，製造商也願意提高成本追求更高端的設計，讓Thunderbolt^TM 3的普及率上升了不少。

〈圖4〉Thunderbolt^TM 3認證裝置數量逐年成長

(資料來源：TBT開發者論壇, 2019)

大家都用了Type-C，那蘋果呢？

2018年蘋果發表最新的iPad Pro，上頭搭載的不是Apple傳統常見的Lightning接頭，而是擴充性更佳的USB Type-C^TM<^註^1>，許多人引頸期待的是iPhone何時會導入USB Type-C^TM？身為USB Type-C^TM大力推廣小組之一的蘋果陣營已經在許多產品上捨棄Lightning而搭載了USB Type-C^TM，不外乎是因為USB Type-C^TM有更好的擴充性、更佳的充電機制、且可支援更多的裝置。

iPad Pro是Apple平板產品定位中的旗艦機種，透過搭載USB Type-C^TM，過去以手持裝置生態圈為主的平板將可以連結MAC廣泛的周邊配件與延伸應用，USB Type-C^TM的搭載讓iPad Pro可直接透過C to Lightning的線對iPhone進行充電，使平板有更好的充電效率與彈性。

iPhone在連結介面的選擇怎麼走，市場都在關注。USB Type-C^TM取代Lightning對於蘋果來說是不是非做不可的決定？可預期的是當蘋果做出最終決定時，市場生態將再經歷一次連接器轉換的衝擊。

目前為止所知的USB4

USB推廣小組在2019年3月時宣布USB4這個新的標準規範將會在不久的將來問世，在採納了Thunderbolt^TM的標準規範後，USB4的主要差異如下^<^註^2>：

支援40Gbps最大頻寬：使用現有的USB Type-C^TM 線纜，每個Lane可支援20Gbps，最高支援兩Lane 40Gbps的頻寬，等同於現有的Thunderbolt^TM 3。
可兼容Thunderbolt^TM 3裝置：非必要，但可選擇兼容Thunderbolt^TM 3裝置。

USB4目前僅相容於USB Type-C^TM孔，意味著不會看到傳統的Type-A Port宣稱支援USB4。這並不令人意外，原因是所有USB4的Host都必須支援Power Delivery，而若要支援Power Delivery，那非USB Type-C^TM Port不可。

在傳輸速度方面，USB4支援三種速率，分別是10Gbps、20Gbps、40Gbps，並且在影像及資料傳輸間都能有相當不錯的動態調整頻寬。舉例來說，假設我們現在透過USB4從外部SSD來傳輸4K影片至外部螢幕，會大約占去12.5Gbps的頻寬，而剩下的27.5Gbps則可拿來進行其他資料傳輸的應用。

從線材線纜的角度來看，舊有的線材可支援到其宣稱的最大速率，若要支援到40Gbps，建議買條Thunderbolt^TM 3的40Gbps Cable。

然而，何時才能看到USB4的產品發表？根據USB推廣小組的計畫，USB4規範預計會於2019年中公布，而推廣小組的主席Brad Saunders宣稱，就以往經驗，根據新的規格來開發一個新的產品大約需耗時12-18個月，因此可以預期的是在2020年，或許可以在市場上找到宣稱支援USB4的產品。

〈圖5〉USB4可相容Thunderbolt^TM 3

(資料來源：TBT開發者論壇, 2019)

UL、USB協會、Intel合作創造安全的使用環境

高速數據電纜取代了傳統的電源線，隨著充電功率容量不斷增加，的確存在安全問題。在安全面，UL從制定標準著手，UL 9990 安全標準的發行，正力圖解決一些安全隱憂。此外，UL自2016開始便積極與USB協會合作，並成為USB協會認可的獨立測試實驗室(Independent Test Labs, ITL)，更在2018年取得Thunderbolt^TM認證測試實驗室資格，協助進行相關的認證測試，同時也利用多年的測試經驗，協助企業在前期開發階段改善問題，管控市場上的商品，目前測試實驗室建置在台北，提供USB及Thunderbolt^TM認證測試服務。

目前UL實驗室也擴充IEC 62680測試能量，預計於2019年中取得IEC 62680的認證測試資格，屆時將成為全球唯一可進行IEC 62680認證測試的實驗室，全力把關高速線纜的安全發展。

<註1> 《透過新款 iPad Pro 的 USB-C 連接埠進行充電和連接》，蘋果官網，2019年3月12日。

<註2>《 USB Promoter Group Announces USB4 Specification》，USB官網，2019年3月4日。