失效分析 赵工 半导体工程师 2024-06-03 09:10 北京

过去六年发生了什么变化？

让我们快速回顾一下这段时间里情况发生了哪些变化，甚至有所改善。

首先说说积极的一面，USB-C 几乎已经成为了我们见过的最普遍的端口，而旧款 USB 端口在高端设备甚至如今大多数廉价设备中都已不复存在。欧盟委员会要求所有新电子设备在 2024 年底前必须通过 USB-C 供电，这一趋势势必会进一步加强。如果您还没有这样做，那么很快就能用一根电缆和充电器使用所有设备了。

说到这里， USB-C 上的USB 供电已成为智能手机和笔记本电脑市场上几乎通用的充电标准。即使是依赖专有快速充电技术的手机也大多以某种形式采用了它，尽管功率水平远低于其专有协议。不幸的是，正如我们将在整篇文章中看到的那样，USB-C 充电实现对于大多数消费者来说仍然难以理解，尤其是在增加了 USB PD PPS 之后。很少有智能手机品牌掌握了新可编程标准提供的灵活功率建模，与专有协议相比，许多设备的充电速度非常慢。

USB-C 成功简化了设备端口、电缆类型和充电要求。

与旧款 USB-A 插座相比，笔记本电脑领域的 USB-C 端口数量越来越多。这既是好事也是坏事，具体取决于有多少配件仍在使用旧端口。适配器的寿命已成为主流，但随着 USB-C 渗透到越来越多的产品中，现在正处于下行轨道。不幸的是，USB-C 的黑盒特性意味着各种 USB-C 端口之间的差异越来越大，即使是在一台笔记本电脑上。弄清楚哪个端口支持高功率、显示端口输出或超高速数据传输需要费力的手动研究。

总体而言，情况比早期有所好转。话虽如此，USB-C 已经演变成一团乱麻，而且在某些方面实际上变得更糟。

充电仍然是一个挥之不去的

USB-C问题

目前，USB-C 标准在充电方面仍是一个常见问题。虽然 USB-C 可以确保手机以某种方式充电，但乍一看很难确定哪些充电器、电缆、手机和笔记本电脑可以很好地配合使用以实现最佳快速充电。

一方面，专有协议仍然在中国手机中盛行，荣耀、一加、小米等手机都提供超高功率和极快的充电时间。前提是您将手机与正确的充电器和电缆配对。然而，这些品牌的充电速度以更通用的标准而著称，通常上限为 18W 及以下，有时甚至降到只有 5W 充电。偶尔也有例外，但从整个价格区间来看，尽管采用了 USB-C，但充电仍然是一个问题。

只要您保持单一生态系统，就没问题，但如果开始混合搭配，您的智能手机可能需要几个小时才能在其他品牌的插头上充电。虽然有些品牌支持其插头的通用充电标准，但这是例外。

USB PD PPS 给消费者的购买决策又增添了一层困惑。

USB 供电在笔记本电脑和西方主要智能手机品牌（包括苹果、谷歌和三星）中更为常见。在这里，您最有可能发现设备之间的充电和谐性，但也存在挥之不去的问题。首先，智能手机、平板电脑和笔记本电脑之间的充电功率水平和速度存在很大差异，尽管它们都使用相同的标准。

USB 电力传输可编程电源 (USB PD PPS) 变体的推出无疑使事情变得复杂。例如，我们发现谷歌的 Pixel 旗舰在充电功率要求方面表现得非常随意，与旧的 18W USB PD 型号相比，使用更昂贵的 30W USB PD PPS 插头，手机的充电速度几乎没有任何提高。这肯定会让消费者感到困惑。同样，三星最近的 Galaxy Ultra 型号需要 45W USB PD PPS 充电器，但更实惠的Galaxy S24型号仍然使用 25W。但无论哪种情况，如果您没有 PPS 插头，您只能使用 15W，而这需要数小时才能充电。

USB PD PPS 本应是该行业的一大进步，它将以前仅在快速专有标准中发现的电压灵活性与 USB 标准的向后兼容性和大规模采用相结合。现实情况则更加复杂，很少有品牌能够最大限度地利用这项技术。华硕、谷歌和三星是最知名的品牌，而使用该协议的其他手机充电速度相对较慢。

值得庆幸的是，USB Power Delivery（大部分情况下）可以作为可靠的后备方案，确保设备充电功率超过 USB-C 端口本身宣称的 5W 基本水平。然而，为特定手机挑选最佳充电器和电缆仍然需要付出比许多消费者对一个声称万能的端口所期望的更多的努力。

USB-C 数据速度变得更加混乱

充电仍然过于复杂，但从数据传输速度来看，情况就更糟了。从技术上讲，这不是 USB-C 的错，而是 USB IF 继续使 USB-C 支持的技术复杂化。虽然有些端口有标签，但并不总是能通过目测轻松判断 USB-C 端口的速度有多快，而深入研究规格表肯定会让人头疼。

最新的 USB 数据速度协议分为几个标准。有传统的 USB 1.0 和 2.0、USB 3.0、USB 3.1、USB 3.2 和最新的 USB 4.0，所有这些都可以通过 USB-C 获得支持。这已经够让人困惑了，但这些标准后来经过修订和更新，包括各种子标准，其中包括 USB 3.1 Gen 1、USB 3.1 Gen 2 和 USB 3.2 Gen 2，以及较新的 USB 3.2 Gen 1×1、USB 3.2 Gen 1×2 和 USB 3.2 Gen 2×2 修订版。希望您能在没有手册的情况下解读这些差异。希望下面的图表能有所帮助。

USB4（不是 USB 4！）于 2019 年发布，承诺简化格局并“最大限度地减少最终用户的困惑”，但它已经彻底失败了。

USB4 已经拥有 Gen 2×1、Gen 2×2、Gen 3×1、Gen 3×2 和 Gen 4 变体，数据速度范围从 10 到 80 Gbps。没错，2022 年末的修订版随着 USB4 Gen 4 的推出将标准的峰值速度从 40 Gbps 提高到了 80 Gbps，但现在看来，原始规范属于 Gen 3×2 名称。甚至还有一个非对称版本的 USB4 Gen 4，它可以达到 120Gbps，但不遵循以前的命名约定，这让用户更加难以理解。

坦率地说，USB 3.2 和 USB4 完全是一团糟。

营销名称（例如 USB 40Gbps）和相关徽标应该使所有这些选项听起来更方便消费者使用。然而，电缆和设备并不总是贴有适当的标签，而且有限的品牌标识对更高级的配置没有帮助。

进入USB备用模式“兔子洞”

在支持“替代模式”和增强功能方面，设备和电缆同样存在问题。这些包括通过连接器提供的 DisplayPort、MHL、HDMI、以太网和音频功能。虽然其中大部分都属于 USB-C 规范，而不是端口的数据速度规范，但 USB4 再次被认为至少在某种程度上为端口的功能集带来统一。

USB4 基于 Thunderbolt 3，与 Thunderbolt 4 规范保持一致，因此捆绑了 DisplayPort 2.0 隧道支持，最多可支持两个 4K 或一个 8K 显示输出，以及集线器设备上的 PCI Express 功能。但是，不需要其他 USB-C 替代模式。当然，强制要求每台设备都具备这些功能是没有意义的，但选项范围之广会让消费者感到沮丧。

最大的问题是，产品不一定提供用户所期望的功能。如果笔记本电脑缺少传统端口，消费者可能会认为 USB-C 端口支持 HDMI 或以太网，但事实可能并非如此。更令人沮丧的是，功能可能仅限于设备上的特定 Type-C 端口。您可能有三个端口，但只有一个提供您想要的功能。虽然这是制造商方面的问题，但缺乏更严格的标准加剧了这种不透明的现实。

USB-C 兼容许多功能，但组合是否有效通常是即插即用的情况。

归根结底，USB-C 使功能变得更加不透明，而不是更不透明。它声称可以做所有事情，但仍无法保证产品能够真正使用这些功能。

USB4 并没有帮助统一功能兼容性，而且，如果说有什么不同的话，那就是较旧的 USB 3.2 规范对消费者来说变得更加难以掌握。传统设备和剩余可选标准的范围之广意味着 USB-C 端口功能乍一看仍然未知。即使有更详细的信息可用，并且端口正确标记了适当的品牌，但当人们想要的只是有用的东西时，要理解各种模式和术语可能要花费大量时间去消化。

为什么会出现USB-C兼容性问题？

即使您已做好万全准备，错误的 USB-C 线缆也可能带来麻烦。例如，那些花哨的 40Gbps 和 80Gbps 数据速度无法通过长距离线缆实现，并且您无法在额定电流仅为 3A 的标准线缆上达到 240W 的功率。您必须寻找带有正确标签和徽标的线缆，以确保它们支持您想要连接的功能。

由于硬件陈旧，USB-A 转 USB-C 适配器线缆的世界同样令人困惑。例如，USB 2.0 仅具有用于数据和电源的四针连接器，而 3.0 线缆则将其增加到九针。通常用于充电的 USB-C 转 A 线缆有 2.0、3.0 和 3.1 版本，这会影响它们可以处理的数据量和电量。如果您需要快速数据传输或其他功能支持，则必须插入九针线缆。但是，一些专有充电标准更喜欢具有高电流额定值的旧式四针线缆，这通常会违反官方规格。

电缆质量、额定值和长度会影响 USB-C 端口的功能。有些电缆甚至违反了标准！

正如我们之前提到的，高速数据和实时视频传输的引入带来了新的问题。高速信号在长距离传输时会受到衰减和时钟抖动的影响，这意味着数据可能会在传输过程中丢失。为了解决这个问题，USB 电缆也有无源和有源两种。有源电缆包括重新驱动器，用于恢复信号幅度并防止长距离信号质量损失。因此，用于非常高数据速度的长电缆（例如通过 Thunderbolt 发送 4K 60fps 视频或数据）需要有源组件，而基本的充电和数据传输可以使用长度不到两米的标准无源电缆。

如果无源 USB-C 线缆带有“三叉戟”SuperSpeed USB 徽标，则支持 DisplayPort、MHL、HMDI 和 Thunderbolt，距离不超过两米；如果线缆带有 SuperSpeed+ 标签，则距离不超过一米。如果距离更远，则需要有源线缆，如果您想要 40Gbps 的速度，则必须留意 Thunderbolt 徽标。其他 USB 类型的无源适配器线缆不支持任何这些模式。

功能兼容性问题还涉及相关端口和设备，这些端口和设备可以配置为多种充电速度、传统标准和备用模式。USB-C 端口比其前代产品更复杂，需要更多的软件和硬件输入才能正常工作。

USB-C 产品的起点是 Power Delivery 协议。这不仅仅与充电有关；它也是端口如何使用连接器的附加引脚来传达对 HDMI 和 DisplayPort 等额外功能的支持。备用模式使用 Power Delivery 结构化供应商定义消息 (VDM) 来发现、配置、进入或退出这些模式。最重要的是，如果您的设备不支持 Power Delivery，它也不会支持任何其他功能。不幸的是，Power Delivery 电路比基本电路更复杂、更昂贵，并且复杂性会随着端口数量的增加而增加。

随着蓝牙的接管，USB-C 音频基本上已经消亡。

即便如此，这并不意味着每个 Power Delivery 端口或设备都会支持所有功能。设备制造商需要在 Power Delivery 组件和常规端口连接之外添加必要的多路复用器和其他 IC，以支持以太网、显示和其他替代模式。下图仅显示了扩展单个 USB-C 端口的功能集所需的一些不同组件块。

当产品需要将多个信号（如视频或音频）路由和管理到多个 USB 端口时，端口电路只会变得更加复杂。信号路由变得越来越复杂和昂贵，因此制造商将功能限制在一个或两个端口上。

即使供电也需要 USB-C 的复杂电路来适应可逆连接器类型、各种电源选项以及向上、向下和双向充电端口和数据选项之间的选择。为了降低成本和复杂性，并非所有 USB-C 端口都具备所有功能。

USB-C 注定会一片混乱

USB-C 的复杂性无疑是其失败的原因。虽然一根线缆支持所有功能的想法听起来非常有用，但现实情况很快就变成了专有产品与符合规格的产品、不同的线缆质量和功能以及不透明的功能支持等复杂组合。结果就是，这个标准看似简单易用，但很快就会让消费者感到沮丧，因为没有明确的迹象表明为什么某些线缆和功能无法跨设备使用。

幸运的是，高端笔记本电脑越来越多地采用 USB-C 规格的全部潜力，而苹果将 iPhone 移至该规格也使智能手机系列更加完整。总体而言，手机已经采用了共享充电标准，但在许多情况下，情况仍然远非简单。

USB-C 是一款出色的连接器，但却因端口上运行的各种技术而受到破坏。

不幸的是，USB4 对统一 USB-C 端口毫无帮助。更好的标签可以帮助消费者识别哪些电缆和产品支持哪些功能，但试图修改命名方案和徽标只会进一步疏远消费者的适用性。强制性的电缆和端口颜色（如 USB 3.0 端口的情况）可能会有所帮助，但却违背了这种一刀切解决方案的整个目的。

不幸的是，2024 年的 USB-C 生态系统与我 2018 年第一次研究这个问题时一样复杂，尽管方式不同。USB PD PPS、USB 3.2 和 USB 4 的发布使 USB-C 端口变得更加复杂，而没有向最终用户提供有关支持哪些内容的明确信息。虽然 USB Power Delivery 支持的增长是一个好兆头，但 PPS 的引入已经阻碍了人们对该行业可能很快围绕单一充电标准达成共识的任何希望。

USB 规格每年都在变化，消费者无法跟上。

作者：Androidauthorit 半导体行业观察

半导体工程师

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