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新USB規格在Type-C手機端的應用
2017 Jan

2016對於手機廠商來說是個變動的一年。根據HIS於2016年第3季大陸手機的市場分析報告,大陸本土手機廠商的出貨量已擠下蘋果與三星佔據前四名。而排名一、二的,分別是OPPO與VIVO這些台灣民眾並非熟悉的品牌。其中OPPO以「充電5分鐘,使用2小時」成功行銷,也讓其他手機廠將快速充電視為手機必備的特色之一。 
 
另外,2016年三星發布的Note7由於部分手機發生燒毀而大規模召回,起初問題產生自電池,然而換貨後再次發生的多起損毀使得此系列在終端市場停止銷售,導致損毀的真正原因至今仍待確認。由此事件,喚起大家對於充電安全的重視。最新報導指出,Google將在新一代Android版本統一所有的快充規格,以降低消費者對快速充電的安全疑慮。
 
手機輸出埠口部分,2014年歐洲議會以壓倒性的投票結果通過一項立法草案,將強制手機充電器採用一致的USB標準,以減少各產品間使用不同充電器造成的浪費,這項法案預計自2017年生效,可預期屆時所有移動裝置都將統一為USB介面。
 
從2016年開始,可發現越來越多手機廠商將原有的USB Micro-B接頭換為Type-C,迄今市面上已有超過10家廠商推出40款以上的Type-C機種,顯見Type-C已被手機廠牌視為未來必備的標準。Type-C的某些特色,例如支援無方向性的插拔、透過Type-C的PD協議可傳輸更大瓦數的功率以達到快速充電、透過PD之下的Alt-Mode傳遞不同影像規格(HDMI/DP)的資料。
 
蘋果在9月推出的iPhone7,受到廣泛討論的不僅是iPhone 7Plus的雙鏡頭,以及蘋果選擇移除3.5mm的Audio接口,音樂及通話透過藍牙或蘋果的Lighting傳遞。
 
大陸的影音串流廠商樂視,更搶先在蘋果發表前iPhone7之前,將樂2系列的手機設計為無耳機孔,並強調高品質全程數位化的無損音頻。最近發表的數款手機,樂視的樂3系列、HTC Bolt、HTC 10 EVO與Moto Z等,也陸續加入移除3.5mm Audio的行列。
 
2016年USB發布的4項新規格
 
手機設計的改變,或多或少都與USB Type-C的規格演進有關,威鋒電子特別整理出2016年修訂或新發布的規格當中,與手機相關的4個主要項目,分別為:USB PD 3.0、USB Audio Device Class 3.0、HDMI Alt-Mode與Programmable Power Supply power data object。
 
USB Power Delivery 3.0
 
首先是2016年3月公布的USB PD 3.0(Power Delivery;PD)。初始設計目的是為使USB可傳遞更高的電壓(20V)與更大的電流(5A),補足以往經由USB接口只能提供約10W的電力。隨著PD規格進化至3.0版本,除了先前提到Alt-Mode可透過Type-C傳遞各種影像規格,另外更重要的是將PD可傳遞的資料量加大,自28 Bytes向上延伸至260 Bytes。
 
較大的資料量可存放作為安全認證(USB Type-C Authentication)或韌體更新(USB Firmware Update)所需要之資訊。可以預期,在未來的世界,所有手機和筆記型電腦都使用Type-C接口,由於埠口一致,便可透過各種充電器對裝置進行充電。
 
但不變的是,為了兼顧使用安全及便利,使用者希望這些充電產品都有被原廠認證,以避免不合格的充電產品損壞手機或筆記型電腦;USB的安全認證機制因此誕生,唯有符合安全機制認證的產品,方能對裝置進行充電或存取。
 
USB Audio Device 3.0
 
9月由USB-IF協會公布的Device Class Definition for Audio Device 3.0,針對USB音訊類多種不同的應用(例如:耳機、喇叭、麥克風等)定義一個基礎範本(Basic Audio Device Definition;BADD),將各種應用所需的參數和配置標準化,大幅簡化了韌體工程師在設計USB音源時在驅動程式所需花費的功夫。同時,不同的Audio功能可以有不同的power domain,工程師可以針對單一功能進行個別的電源控制,關閉無運作的部分,達到節電效果。
 
資料傳輸方面,支援Burst mode,同時支援LPM(Link power management),大幅縮短由運作轉換至休眠的時間,達到較低的運作功耗。此外,經由USB Type-C的接口,可透過Vconn的接腳提供電源予耳機內部其他裝置,因此,耳機不需要外掛電池即可提供更多附加功能,例如:主動降噪,耳溫/心率量測,甚至進一步支援手勢控制等。
 
HDMI Alt-Mode
 
HDMI發布的HDMI Alt-Mode規範,提供C接口的訊號源(手機、筆記型電腦等)直接影像輸出至HDMI接收端(螢幕、電視等)。從事Type-C相關產品設計的人可能覺得奇怪,市面上早就有Type-C轉HDMI的相關產品,為何HDMI至今才發布相關規格?
 
由於過去的HDMI輸出,並非直接由Type-C轉出,而是先透過DP(Display Port) Alt-Mode,將訊號轉成DP訊號,再透過影像轉換晶片,將DP訊號轉換為HDMI。而9月發表的HDMI Alt-Mode,僅需要可透過PD的溝通晶片,線路設計可省去一顆影像轉換IC的成本。
 
然而,與DP Alt-Mode相比,HDMI Alt-Mode目前只能做到4K 30Hz,影像也只能由C口訊號源至HDMI接收端做單一方向傳輸,組態上為Type-C到HDMI的組態,無法提供PD充電和USB資料傳輸。廠商在產品設計的同時,需了解兩種組態間的差異,依據功能與成本選用合適的組態。
 
Programmable Power Supply
 
最後是11月剛發布的Programmable Power Supply之ECR(Engineer Change Request)。如同前面敘述,快充儼然成為手機必備特色,因此主要晶片廠商也發展出各自的快充規範,例如高通QC2.0/3.0、MTK PE+2.0/3.0。以往的快速充電採用高壓(例如:9V/12V)低電流,以降低線材方面的損耗(例如:QC 2.0/3.0、PE+2.0),然而從高壓降轉成電池電壓的損耗,導致手機充電會發熱。
 
因此,最近的充電設計又改為低壓大電流,甚至是電池直充(例如:PE+3.0或QC4.0)。USB PD雖然能提供較大的充電瓦數(最高至100W),但僅針對固定的輸出電壓所設定,並無針對可變電壓或電池直充有明確定義,某些廠商逕行透過PD VDM(Vendor Define Message)自行撰寫相關控制,以達成電池直充,但USB-IF協會為避免不同廠商間的不同VDM導致安全問題發生,針對此情形定義出一組新的PDO:Programmable Power Supply的PDO,透過新的PDO,使用者可以針對電壓(每20mV一個步徑)與電流(每50mA一個步徑)進行細微控制,達到電源充電中所謂恆壓(Constant voltage)與恆流(Constant current)的控制。
 
威鋒電子對新規格的規劃

本文闡述了4個2016年發布的USB規格,並說明威鋒電子認為會對手機產業造成的影響。身為USB-IF協會的一員,威鋒電子協助制定規格,也在規格討論底定之時,能早一步開發出確實符合規格的產品,亦可依據客戶需求做出彈性調整。
 
前面提到的4種規格,威鋒電子已有對應量產與開發中的產品,比如目前在市佔率極高的PD控制晶片VL100/VL101、最新支援PD 3.0的VL102;USB音源部分,有第一代支援USB FS的Audio Codec VL630;電源識別晶片則是從標準Smart Charging到最新支援PD 3.0與QC 3.0的VP300,藉由完整的產品線,與持續開發符合最新規格的產品,能提供不同層面的客戶最完整的服務。(本文由威鋒電子提供,李佳玲整理)
 
DIGITIMES中文網 原文網址: 新USB規格在Type-C手機端的應用 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID=13&Cat=20&id=489580#ixzz4VWu0WVW6