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工业和车用USB-Type C接口有何优势?

作者: 时间:2023-05-28 来源:CTIMES 收藏

根据欧盟目前的规范,到2024年底在欧盟所有销售的智能型手机、平板计算机和相机都必须配备USB Type-C充电。而从2026年春季开始,也将适用于笔记本电脑。因此USB Type-C将成为所有USB传输技术中,最受关注的技术标准。
此外,由于印度打算加入欧盟,因此也开始强制使用USB Type-C作为市场上所有智能型手机、平板计算机和笔记本电脑的统一充电。这些变化最早可能在2024年在生效。印度这样做的主要理由,除了符合欧盟的规范之外,也希望减少使用不同充电接口所产生的电子垃圾(在这种背景之下,主要影响者就是苹果公司)。在2022年底,印度中央部际工作组已经就所有电子设备上的USB Type-C充电接口标准化达成共识。

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图一 : 如果苹果2025年从Lightning转向USB Type-C,这意味着第一款USB-C iPhone将是iPhone 15。

USB Type-C技术已经扩及到嵌入式和领域
与USB-Type A和USB-Type B不同,端子的形状是对称的,所以不用担心正反面的方向,也因为这样的接口设计,可以更方便传输的数据数据。此外,供电方面也比传统的USB-Type A、USB-Type B具有更优越的快速充电能力。
除了信息产品之外,目前USB Type-C的技术应用已经逐渐扩及到包括:自动化、医学影像、自动驾驶汽车和ADAS、安全和监控、智能零售、建筑、制造和农业等。这是由于USB Type-C提供了优于USB-Type A和前几代USB-Type B的增强功能。只要透过一根USB电缆传输就能提供高速数据传输和供电的能力,同时还可以为系统整合业者和OEM设计人员提供更多连接的接口。
虽然USB Type-C在消费端并不是一项全新的技术,但今天它已经慢慢融入嵌入式行业,USB Type-C提供的功能,正在慢慢淘汰对Type A和Type B的速度和连接性需求。目前,不同的运算解决方案都提供了USB 3.2 Gen 2的USB Type-C。
随着技术的进步呈指数级增长,将有更多数据需要处理。在嵌入式应用中,如机器视觉和其他支持AI的操作、工业计算机,需要从IoT设备和传感器获取大量数时,USB Type-C就具有极快的速度,将这些大量数据发送到工业计算机,并为边缘提供额外的下一代USB技术。
与其他类型的USB相比,USB Type-C的架构更纤薄、更小。SFF(小型)PC和SBC(工控板)等嵌入式系统,就需要在空间受限的应用中提供所需的处理能力,对于这些限制因素和对更大运算能力的高需求,便可以透过USB Type-C来缓解这些限制。

仍旧需要面对现有传输技术标准挑战
Type-C是2014年才出现的新USB标准,但由于其高度的便利性,越来越多的PC和智能手机等数字设备内建了Type-C接口。根据印度研究公司FMI的数据显示,市场在2022年的市场规模达到了159亿美元,占全球USB设备市场的 37%。预计到2030年时,将达到1272亿美元。
这股浪潮不仅在各种智能型数字产品上展开,甚至还被推广到汽车市场,因此导入USB-Type C的新车型也越来越多。例如本田在2022年全新改款的第6代Step Wagon,全车系都配备了USB-Type C充电插槽。
今天,智慧手机透过USB-Type C连接到汽车时,大多都已经可以达到以下三种用途(图二):

(1) 透过USB-Type C来播放音乐;
(2) 提供充电的功能;
(3) Apple CarPlay和Android Auto透过USB-Type C连接车载资通讯系统.

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图二 : 目前智慧手机大多可以透过USB-Type C连接到汽车的娱乐设备。

但是,对这些应用来说电缆连接是绝对必要的吗?答案是「取决于汽车型号」,但事实上,这些都可以通过无线方式处理。包括:(1)透过蓝牙连接;(2)支持Qi标准,可让电子产品进行无线充电;(3)透用无线CarPlay/Android Auto连接。
但目前采用无线CarPlay/Android Auto技术的车型还很少,因此大多数汽车还是使用蓝牙技术。
如此一来,就会有人产生了质疑,既然已经有了这么多的替用技术,未来为什么还要导入USB-Type C,之所以USB-Type C被推广到车辆是因为USB-Type C这个标准,它的设计和未来预期在汽车中应用具有有高度的兼容性。;

透过USB PD接口供电已是大势所趋
随着智慧手机走向5G,因此电力消耗进一步增加。所以透过PD(Power Delivery)的技术,在后座将有更多时间享受各种内容,以及同时进行充电。
USB PD协议允许USB Type-C提供高达240W的功率,加速将此传输技术推动市场。然而,汽车USB Type-C设计必须满足严格的汽车安全标准,例如EMC和热管理法规。因为每一项法规都是在确保驾驶,和乘客的舒适性和便利性的。因此USB PD的新功能都将使设计变得更复杂。
事实上,许多新车都已经配备了USB接口,由于这些对电力的消耗,使得各款式的新车都被要求,需要具有更稳定的供电能力(图三)。

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图三 : 透过控制电路让USB Type-C来获得汽车电池中的稳定电力。(source:Monolithicpower;作者整理)

因此,USB-Type C的PD技术标准还正继续的发展,目前最新的PD规范,已经能够提供高达240W的电源。可惜的是,目前还没有能够提供240W功率的车辆(因为系统成本是一个不得不面对的问题)。
另一方面,由于汽车电气化,交流发电机等电气系统的强化,也应该影响到信息娱乐系统的供电,因此USB-Type C在的发展仍处于起步阶段。
就便利性而言,Qi和无线连接将不会消失。然而,USB-Type C预计将以不同的方式发展,包括高速数据传输,以及对车辆和电缆方面的支持(如交替模式),可以透过单一电缆就能享受高质量的视讯内容。
汽车业者不太可能需要为车辆中的每个 USB Type-C都提供100 W以上或240W的电源。因此会为了在不影响充电时间,或可靠性的情况下尽量地降低成本,例如可以在插槽之间共享一个100 W以上或240W电源,这就称为动态负载共享。例如,USB Power Delivery 控制器和零件中就可以将其中一个 USB Type-C插槽的供电能力降至60 W,因此在插入设备时它可以为第二个插槽提供 40W以上的电源输出(图四)。

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图四 : 透过分配机制,降低其中一个电力输出埠,来让另一个输出埠供应大电力,达到降低成本的目的。(source:Cypress;作者整理)

USB的可互操作性是相当的
对于使用性的方便程度而言,可互操作性(Interoperability)是至关重要的。仅仅因为两个设备符合USB标准规范并不一定意味着它们可以协同工作。
互操作性在汽车应用中就有着关键性作用,因为互操作性不佳的话会对使用者带来相当大的困扰,与负面观感。
因为USB接口已发展成为汽车的一项不可或缺的接口标准,在承担着越来越多的充电、播放音乐和与智能手机交互的责任下。在购买车辆时,人们往往更关心连接手机和播放音乐的便利程度,而不是发动机的运行状况。
同时为了让使用寿命更长,车辆不仅需要能够与目前所有的智慧手机、平板计算机和笔记本电脑进行相互操作与存取,而且还需要为未来几年可能出现的新产品进行互操作。因为以目前消费者的使用习惯来看,平均每两年就会更换一次智能型手机,所以互操作性就更加重要了。
与许多标准一样,USB供电标准也会随着时间的推移而不断推陈出新。例如,目前虽然可支持最新的Power Delivery (PD) 3.1和Quick Charge (QC) 5,但是USB Type-C和PD规格却都在不断出现变化,那么车辆就可能无法完全支持市场上最新的智能型电子产品。

透过可程序化USB控制器解决互操作性问题
实现稳健互操作性的唯一方法是透过可程序化USB控制器。借助可程序化控制器,就可以随时升级USB Power Delivery中的Stack结构,来达到与新产品互操作的能力。就像是今天的车辆中许多系统都使用软件,因此车主也可以接受软件升级是一种标准保养项目。
另外必须注意的是,以现有的信息产品分类来看,固定功能和可配置控制器非常适合消费电子设备(例如USB的鼠标或键盘)等应用,而在这些应用中,产品的使用寿命大多都预计只有几年而已,因此产品只需要提供有限且良好的互操作就可以。
相比之下,可程序化USB控制器可提供开发人员完全访问控制器的机能,从而最大限度地提高设备的能力,并且透过资料的回馈(Feedback),控制器更可以动态性的和优化设备效能。此外,如果出现新标准或出现不可预见的问题,还可以利用韧体升级来解决这些问题。来确保在工业设备或车辆的整个生命周期内保持互操作性、质量和可靠性。
事实上,工业设备和汽车上所内建的USB控制器并不是便宜商品。例如当USB鼠标无法运作时,更换一个便宜新鼠标的成本可能不到100人民币。但是如果汽车上的USB接口停止工作的话,则可能需要进行昂贵的保养维修。因此,应用于工业设备和车辆的USB控制器必须全面满足更高的标准,同时还必须能够承受更高的工作温度。因此所使用的组件可靠度,需要比传统消费电子所需的时间更长。

过压、过流、ESD和短路保护都是课题
设计具有更高功率输出的USB Type-C子系统的主要挑战之一,是电源需要过压、过流、ESD和短路保护以及高压栅极驱动器。还需要电缆补偿以确保在车辆中保持长电缆上的信号质量。为了支持车辆或者是工业生产在线,可以在受限和环境极端的操作条件下可靠运作,就需要温度保护机制来防止过热和损坏。
由于USB接口插槽是暴露于现实环境中,因此USB电路就需要更高等级的保护,免受许多电气事件的影响。就像是最常见的一种是静电放电(ESD)。例如,乘客在乙烯基座椅上四处走动或摩擦地毯就会产生电荷。如果这时触摸暴露在外的USB接口插槽,极可能会损坏车内的敏感电子设备,而这些电子设备维修起来既困难又昂贵。
因此为了防止ESD带来的影响,这时系统需要设计接地机制,以便让能量可以安全消散。理想情况下,控制器是已经整合了ESD保护能力,提供8 KV接触和15 KV 空气放电保护,这样一来,就足以保护控制器避免受到ESD影响。
在未来,一些USB类型将很快被USB Type-C所取代,不仅会取代Type-A,甚至还会取代Mini-USB和Micro-USB连接器。如果新一代的工业设备或新款车型仍然有讯号传述和供电接口,USB Type-C无疑将成为未来最主流的连接器。
因此最新的设备已经都至少会设计一个USB-C接口,并且根据欧盟法规,会保留一段相当长的时间。但是,该规定仅影响电源变压器。由于USB A/B在数据传输方面没有优势,预计未来也不会用于数据应用。因此相信接下来USB Type-C将会出现在更多的产业领域中。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202305/447068.htm


关键词: 工业 车用 USB-Type C 接口

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