USB PD全球直流插座标准浮现?

2014-06-03 18:53:45来源: DIGITIMES
   
    USB缆线在原初设计上仅提供些微电力(2.5瓦),以供键盘、滑鼠、USB集线器等低用电产品运作,但随着愈来愈多移动电子产品在使用USB缆线与电脑传输外,也运用USB缆线对移动装置供电,过往的低供电量逐渐无法满足要求。

为此USB-IF(USB Implementers Forum)于2007年订立了USB BC(Battery Charge) 1.0标准,提供了USB的供电电流,使USB缆线用于移动装置充电时更有充电效率,而后也陆续增修出USB BC 1.1版、1.2版。

USB BC仅满足移动装置充电应用,另有一群业者期望USB线路的供电能供条码读取器使用,因而订立出PoweredUSB标准,最高可提供144瓦电能,不过PoweredUSB并未获USB-IF认可。

USB-IF之后也随USB 3.0标准的订立而略提升USB的供电能力,自2.5瓦增至4.5瓦,但依然难满足大众需求,致使USB-IF于2012年提出USB PD(Power Delivery)标准,期望以USB PD取代USB BC,以及USB-IF不乐见的PoweredUSB。
USB PD使用标准USB线路最高可携带100瓦电力,若用Micro-USB线路则可达60瓦电力,不仅适用于智能型手机,也适用于笔记型电脑、桌上型监视器等的供电。因此DIGITIMES Research推估,USB PD有可能成为全球的家庭直流电源插座的新标准,并侵蚀、影响传统家庭交流电源插座的价值地位。

逐渐普及的USB电源插座
资料来源:各业者,DIGITIMES整理,2014/5


USB插座愈来愈多
近年来,有智能型手机、平板电脑的人,愈来愈常到处找寻Micro-USB缆线、USB电源配接器(俗称变压器,以下以此简称),因为他们需要替手机、平板充电,甚至在捷运站提供的充电桌,桌附近的墙面不仅提供一般110V电力插座,也顺便提供USB电力插座,想充电者可以省去待USB电源配接器,只需携带Micro-USB缆线(若为iDevice则携带Lightning缆线)即可充电。另外,也有业者新推行的电源延长线插座,除原有的110V插座外也随附USB插座,或者已​​有建商在施工上也在110V插座随附USB插座,以及新款汽车也内建USB插座。

手机统一用USB方式充电是自大陆开始,过去手机的充电器不具交换性,每换1款新手机,旧的充电器便一并丢弃,使充电器垃圾堆积如山,因而寻求统一,而2014年3月欧洲议会也以550票比12票通过充电器统一的法规(但未言明是否采行USB/Micro-USB)。

在USB供电、充电愈来愈普及下,若USB插座、缆线只试用于手机、平板2种产品,则限缩其价值,因此USB-IF开始思考强化USB缆线的供电能力,期望扩展USB缆线供电、充电的应用范畴,因而订立出USB PD标准。
USB PD规格标准早于2012年7月便已完成订立,但由于支援USB PD标准的缆线,需测试验证取得PD Aware的认证,因而需时间推展,直至2014年才逐渐展露。 USB PD是否能让USB供电、充电应用价值扩大?对未来产业甚至终端使用者的冲击与改变为何? DIGITIMES Research对此进行观察探讨。 

标准USB供电设计

在USB PD标准未订立前,USB自身即有基础的供电能力。由个人电脑扮演的主控端(host),由于其电力来自电源插座,因此其USB埠可提供最大5V、500mA的电力。
相对的,若个人电脑连接USB集线器(hub),且集线器运作的所有电能均由个人电脑的USB线路所提供,则USB集线器上的每个USB埠,仅能有5V、100mA的供电,其中USB集线器自身消耗约100mA,再把剩余的400mA分配给4个USB埠,典型的USB集线器多为4个USB埠。
不过,若USB集线器自身也透过电压器取得电源插座的电力,则依然可以给每个USB埠5V、500mA电能,或者因电力的源源不绝,设计者可设计出具有更多USB埠的USB集线器,而非限定在典型的4个埠。
无论如何,USB埠最糟情况下仍有5V、100mA电能可用,在这个最基础的供电条件下,至少让刚接入的USB装置能被电脑识别,而低用电的USB装置可完全只以5V、100mA电力运作,如USB随身碟。
但较大电力需求的USB装置则需要更高电力,如USB外接硬碟,即需要5V、500mA电能,而更早期的USB外接硬碟需要更大的电力,否则无法驱动硬碟的马达运作,需要额外借用另一个USB埠的电能(权宜变通的截接方式,非正规用法),使电流量超越500mA,甚至自行配备变压器,自行取用电源插座的电力。类似的,印表机、扫瞄器等大型电子产品,也无法用5V、500mA电能驱动运作,都需要自行准备额外的变压器。

标准USB集线器供电配分法
资料来源:各业者,DIGITIMES整理,2014/5

针对充电应用订立的USB BC

5V、100/500mA供电自1996年USB标准推行以来即是如此,但至2007年略有改观,2007年移动装置以USB埠充电的需求已开始增加,USB-IF因而订立出充电需求的规范,称为USB BC。

USB BC依然使用5V电压,但将电流量扩增,增至1,800mA,用意明显在于增强用USB埠充电时的充电效率,以免充了许久时间仅增加些微的电量,甚至在边充边用的情境下电量仍持续跌落,失去充电意义。

USB BC立意虽佳,但USB BC的缺点在于仅将USB缆线视为充电用线路,给装置充电的同时不提供资料传输能力,因而有1.1版(2009年)修正,1.1版允许充电的同时进行资讯传输,然最大电流量略有下修,降至1,500mA,即便如此仍是传统USB供电的3倍电能(2.5瓦vs. 7.5瓦)。 2011年BC 1.2版标准出炉,依然维持最大1,500mA电流量,仅针对技术细节进行增修。

值得一提的是,苹果(Apple)产品虽也能用USB埠进行充电,但仅使用USB埠的物理连接器,相关电气特性均自行定义,如iPhone使用1,000mA,iPad使用2,100mA等。

不被USB-IF承认的PoweredUSB标准

USB BC虽提供更大充电电流,但USB埠普及性过高,业界对USB埠能提供更大供电力的期望,并非只在电池充电上,也包含一般应用,自1998年起,微软(Microsoft )、IBM、NCR、Berg(连接器业者,之后由FCI购并)等共同研拟出PoweredUSB标准。

PoweredUSB在电压、电流上均​​有所提升,电压除原有5V外增加12V、24V(亦有业者采9V、25V),电流增至3,000mA,最高可至6,000mA,整体而言能将供电瓦数增至30、72、144瓦。

业者之所以订立PoweredUSB主要用于收银机(POS)、条码读取器等应用,因此PoweredUSB有时也称Retail USB、USB PlusPower或USB +Power。 IBM握有PoweredUSB专利,使用PoweredUSB技术需付费获取IBM授权,如惠普(HP)、富士通(Fujitsu)均已取得授权。

未获USB-IF认同的PoweredUSB供电标准
资料来源:各业者,DIGITIMES整理,2014/5

USB 3.0仅些微提升
USB-IF官方提出的USB BC主要用于电池充电,非官方提出的PoweredUSB主要用于收银机应用,没有提升标准USB的供电能力,一直至2008年USB 3.0标准登场,方属真正提升。
USB 3.0依然维持过往的5V电压,但电流方面提升,过往(USB 1.x/2.0)以100mA为最小单位,允许1~5刻度调节,USB 3.0则以150mA为最小单位,允许1~6刻度的调整,即最低电流量150mA,最高900mA,较过往500mA为高,使最高供电力自2.5瓦增至4.5瓦。 4.5瓦依然是相当小的电力,与PoweredUSB的数十瓦电力无法相比。

USB 1.x/2.0/3.0供电规格比较
资料来源:USB-IF,DIGITIMES整理,2014/5

USB PD为官方正式解答
有鉴于业界对USB供电需求的呼声愈来愈高,USB-IF订立出USB PD标准,将供电能力正式扩展至数十瓦等级,USB PD提出5种新的供电层次,分别为10瓦、18瓦、36瓦、60瓦、100瓦。

其中7.5瓦依然只以5V电压供电,但10瓦、18瓦开始引入5V外的12V,60瓦与100瓦则再引入20V。且USB PD允许双向供电,有别于过去的USB必然是主控端对周边装置供电,此主要是可携​​式电源崛起之故而有的务实因应。

虽然将供电力扩增至最高100瓦,但仍有缆线的区别,过往长久以来的标准USB缆线可以达最高的100瓦供电,但对于移动装置常用的Micro-USB,因连接器较小,在物理限制下,最高只能供电60瓦,无法至100瓦。

同样的,USB-IF新订立的C型连接器,属移动用的细小型连接器,一样无法达最高的100瓦供电,其极限为60瓦。此外,USB PD相容过往的USB​​ BC,言下之意USB-IF有意逐渐以USB PD取代USB BC。

此外,非官方的PoweredUSB推估也将逐渐淡出,仅少数应用会持续采行,如高于100~144瓦间的供电应用,且PoweredUSB仅相容至USB 1.x/2.0,不相容USB 3.0,虽然对收银机的产业性、垂直性应用而言不需要至高速的USB 3.0,但依然有边缘化的危险,且PoweredUSB的规格停留在2005年的0.8g版,未持续更新,后续发展堪虑。

USB供电能力一旦可达60瓦、100瓦,下一步可能实现的是印表机、扫瞄器、桌上型监视器、乃至笔记型电脑(DIGITIMES Research抽样,纯就变压器规格而言,常规笔电仍需60瓦以上电能,但可低于100瓦,薄型省电机种可低于60瓦)等,均可改以USB埠供电,此意味着未来换笔电、换印表机等,不用再随同丢弃变压器,而是可以沿用,以减少电子垃圾。

更重要的是,全球电力发展因温室效应逐渐起变化。过往提倡大型、集中发电(如核能、火力发电厂),而后用高压(透过高压电塔,电压愈高,传输过程中的电能耗损较小)、交流电传送至各地,由各地变电所转换成220V、100V供附近家庭使用,然220V、100V仍过高,家庭内会再以变压器再次进行降压,以便使用。
而新的趋势是,由家庭、社区设置太阳能或风力发电,发出的电力为直流,直流不利远程输送(输送过程中电能损耗大,不经济),因而就近发电就近用电,未来家庭屋顶的太阳能板发电,电力送入屋内即以USB缆线连接电器,以减少能源转换的耗损(与110V交流降转低电压直流相较,损耗较小)。

USB PD 1.0定义5种供电型态
资料来源:USB-IF,2014/5

持续全球化趋势

最后,USB PD不仅具产业意义,也具若干社会意义,USB PD意味着更进一步的全球化。过往世界各地采行不同的类比电视标准,如NTSC美规、PAL欧规等,连接器方面亦有美国RCA端子、日本S端子等,此均是国家门户之见的差异,而今正逐渐以OTT、网际网路规格,及HDMI连接器统一。
同样的,全球各地采行不同频率、不同电压、不同连接器的电源插座,这些差异使终端使用者出国必须带万用转接座,变压器若坏损、遭窃,也只能找原厂重新购置。
USB PD的出现,有机会统一100瓦电力以下的应用。且如前述,USB供电埠已逐渐融入生活,在捷运、新的电源延长线插座、新建案、新车等,未来带笔电到各国都不再需要带变压器,只要带USB缆线,甚至笔电内建可收缩的USB缆线,大大提升方便性。

USB PD涵盖过往标准并拓展新供电应用

关键字:USB  PD  直流插座标准

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0603/article_33930.html
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