相較前代產品，USB Type-C傳輸速度更快、供電功率更高，也大幅改變這項普遍的連接標準。首先，新的接頭正反皆可用，無分上下端，因此兩面皆可輕易插入連接埠。其次，USB Type-C傳輸線兩端接頭相同，不拘方向。
對USB Type-C的使用者而言，如此大幅提升了便利性和靈活度；然而，裝置開發人員若要整合這種新的標準，就必須面臨更高的複雜性，因為裝置的連接線和插接用的端口，都不能再只提供單純的機電連線。反之，開發者必須加入一定的智慧程度，才能支援新功能。
本文全面介紹USB Type-C相關知識，例如新的設計、功能、使用方式，以及一些支援USB Type-C的半導體套件。為充分瞭解USB Type-C，本文會先介紹USB的迭代演進，以及USB Type-C如何依此基礎進行改良。請回想1990年代中期，當時USB的傳輸速度、傳輸線和接頭都處於萌芽階段。
USB發展史
「通用序列匯流排」(Universal Serial Bus)是USB的全稱，這項技術問世已超過20年，目前常見於各種電子裝置，從電腦到汽車都有。USB 1.0版本推出之後，直到1.1版本才廣泛用於連接電腦設備。
USB 1.x提供低速模式(1.5Mbps)與全速模式(12Mbps)的資料傳輸速率，因此普遍適用於鍵盤、滑鼠、搖桿等輸入裝置，或如掃描器和印表機等外接式硬碟。USB 1.x傳輸線在主機端上採用普及的Type-A接頭，並以Type-B方形插頭連接周邊裝置。傳輸線採用不同插頭是為了確保電源僅從主機傳送至裝置，避免兩台電腦直接相互連接時發生電性損壞。
隨後USB 2.0在2000年問世，資料傳輸速率大幅提高至480Mbps，滿足高速設備的需求。除此之外，由於當時市場主打的裝置尺寸縮小(如數位相機、手機)，一系列的新接頭也如雨後春筍般出現。繼Mini-B插頭後所推出的Micro-A和Micro-B接頭尺寸更小，使愈加輕薄的新款智慧型手機和平板電腦也得以內建USB。值得關注的是，新推出的Mini與Micro接頭均支援「USB OTG標準」(USB On-The-Go)，其具備Mini系列和Micro-A/B插座。OTG標準允許特定USB裝置既可作為主機，亦可成為周邊裝置。智慧型手機便是其中一個例子。使用者可以將智慧型手機當成電腦的外接式儲存裝置，亦可將其作為主機，從其他儲存裝置(如USB快閃隨身碟或數位相機)中擷取資料。
USB 3.0在2008年發布，別名為SuperSpeed(或SS)，因其資料傳輸速率高達5Gbps。而2013年問世的USB 3.1更基於USB 3.0技術規格進行改良，可支援5Gbps資料傳輸速率的SuperSpeed現在通常稱為USB 3.1 Gen 1。USB 3.1標準的特色在於10Gbps的資料傳輸速率，所以當時又稱為SuperSpeed+、USB 3.1 Gen 2。USB 3不僅大幅增強傳輸速度，亦迎來另一款新接頭--Micro-B SuperSpeed。由於市場上仍存在各式各樣插座和插頭組合，因此這款接頭提供向下相容性，能以較低的速度使用USB 1和USB 2(圖1)。
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| 圖1 USB發展時間軸，直到2014年發表USB Type-C為止。(SlideShare的撰稿人Rainny Tu授權使用) |
每一代的USB標準除了顯著提高速度外，在電力供應方面亦有所改善。從主機(又稱「上游」裝置)連接至「下游」裝置時，USB最初標榜5V的供電功率(VBUS)。USB對低功耗下游裝置的額定電流供應量為100mA(0.5W)，對高功耗裝置則為2.5W。隨著SuperSpeed裝置的推出，對低功耗裝置的額定電流提高至0.75W，高功耗裝置則提升至4.5W。此外，USB還可為電池充電，方法是從充電器，主機端裝置的專用充電埠(DCP)或者可同時提供資料訊號的充電下行埠(CDP)，傳送最高25W的電力。USB電源隨後在2012年發展出名為USB PD(Power Delivery)的電力傳輸規格，其支援相容的下游裝置從主機設備獲得更高的電壓與電流供應量。USB PD規格讓各裝置在電壓為5V時可獲得10W供電，電壓為12V時提升至36W/60W；而在24V的電壓下，供電則為60W/100W。
USB Type-C與過往產品差異
由於USB存在許久，USB Type-C的開發者必須接受先前推出的所有規格，因而在研發過程中面臨重大的挑戰。USB 3.1推出後一年，USB Type-C便確定最終規格，其在設計上帶來許多改變，特別是正反皆可用的新插頭。如同蘋果(Apple)目前在iPhone和iPad上使用的Lightning接頭一樣，USB Type-C插頭讓消費者不必再為插入方向感到苦惱，比過往產品更加方便使用。
然而，為成功打造雙面插拔的設計，開發者需要為系統額外提升智慧技術，才能正確傳輸電力與資料訊號。與Lightning接頭相反，USB Type-C不需這項智慧型技術就可以內建於傳輸線本身，因此同時適用於主動式及被動式傳輸線。
另外，USB Type-C勢必要大幅增加接頭的接腳數量，才能符合當前所需。因此，當尺寸相近的Micro-USB插頭僅含5個接腳時，USB Type-C卻具備24個接腳。此設計使其在插拔時能不拘方向，並有餘裕增強未來效能、發展新功能(圖2)。
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| 圖2 USB Type-C接頭的接腳配置圖(OFweek.com授權使用) |
USB Type-C推出如替代模式(Alternate Mode)、輔助模式(Accessory Mode)等新操作模式，使USB的創新發展有新定義。而且，在傳輸線兩端接頭相同，表示USB Type-C必能正確分辨主機和周邊裝置，確保整個匯流排正常運作。為使裝置能成功執行任一功能，開發過程非常複雜。
USB Type-C亦使匯流排的電力供應更臻完善。SuperSpeed的最高供電功率為4.5W，但Type-C卻可以透過VBUS連接(在5V電壓下提供1.5A和3A電流)，使供電功率高達15W。無論使用帶有電子標記的主動式Type-C傳輸線，或是搭載雙向雙相符號編碼(Biphase Mark Code, BMC)的組態線路，USB Type-C均支援Power Delivery 2.0電力傳輸規格。其亦透過未使用的CC接腳(CC1或CC2)提供額外電源，藉此供電給外接式裝置、主動式傳輸線或電子標記傳輸線。
USB Type-C正常運作有妙方
USB Type-C需要眾多電路選項，才能支援數不勝數的功能模型。典型範例如下所述：使用者以功能完備的傳輸線，將裝置連接至主機。由於CC線路會判斷傳輸線的端對端方向，因此需由任一端的連接埠提供邏輯支援，以判斷該連接埠是否上下顛倒以及傳輸線為平行或雙絞形式。由此可得出以下四種可能的資料路徑(圖3)：
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| 圖3 實作USB Type-C技術的功能模型，其採用功能完備的傳輸線。CC線路會判斷方向。(2015年USB開發者論壇授權使用) |
當導線成功連接時，所選訊號驅動器、接收器與切換器/多工器即可運作，但若要完整開發USB Type-C，您必須具備上述所有設備。值得慶幸的是，您在USB Type-C中仍可繼續使用最初為USB 3.1所打造的多工器、接收器和驅動器。請注意，主機和裝置的連接埠可能具備更多電路，例如驅動顯示器所需的電路。
近期半導體廠商在USB Type-C相關布局動作頻頻，例如Diodes最近收購Pericom，提供多種元件與積體電路，讓製造商可以透過USB Type-C接頭，輕鬆連接電腦、行動裝置和其他設備。本文將在此介紹三種使用案例，詳細說明其設計要點。
筆記型電腦/平板電腦/個人電腦
如圖4，在此例中，位於USB Type-C接頭和主機裝置I/O集線器中間的即是Type-C交叉切換器，其使設備可透過USB Type-C接頭，在USB 3.1 Gen 1、Gen 2，以及DisplayPort 1.2、1.3中切換自如。USB端則連接至ReDriver，其可減少符碼間干擾，使各種實體媒體的效能得以提升。
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| 圖4 實作USB Type-C技術的筆記型電腦、平板電腦和個人電腦圖例。 |
您可以在此例發現，主機端的充電控制器中，有內建高速資料傳輸線(D+和D-)。這有助於使用者在休眠模式時充電，還可透過鍵盤或滑鼠喚醒裝置。
此外，設備端則具備USB設備充電檢測器，其可針對不同類型的充電器或OTG配件進行外部偵測。此部分亦涵蓋過電流與過電壓保護。
手機
在智慧型手機中，本文採用切換器，使Type-C連接埠得以連接主要晶片組。該元件讓使用者可以將裝置當成主機、周邊裝置使用，亦支援雙重用途模式。系統會根據在CC接腳偵測到的電壓，自動進行組態(圖5)。
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| 圖5 實作USB Type-C技術的智慧型手機/平板電腦圖例 |
擴充基座(Docking Station)
最後以通用擴充基座為例，其採用一條USB Type-C導線連接至上游主機。該擴充基座提供USB 3和DisplayPort訊號，以及要傳輸至主機的電力。而擴充基座的USB端不但具有Type-C交叉切換器，亦具備ReDriver和USB 3集線器。不僅如此，擴充基座上更設計了電源切換器，可透過VBUS為主機電腦供電(圖6)。
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| 圖6 可供電給主機裝置的USB Type-C通用擴充基座。 |
解決向下相容問題 USB Type-C發展潛力十足
Type-C的發展為USB帶來一線曙光，使這項普遍的運算連接標準獲得新生。創造者希望能憑藉Type-C正反皆可用的小巧接頭、高資料傳輸率和供電功率，使立足已逾20年的USB得以持續延長使用壽命。然而與多年來漸進發展的其他技術標準相同，研發者在向下相容性方面，亦面臨諸多難題。USB Type-C藉由在實體連接埠中採用智慧技術，並支援主動式傳輸線，成功克服這些阻礙。
但是，為處理種類繁多的主機和周邊裝置功能，實作USB Type-C技術的設備仍需要高效能、低成本的積體電路(ICs)。
(本文作者為Diodes資深行銷總監)