USB Type-C日趨重要，而消費者的使用習慣在技術演進的浪潮中亦須被關注。筆電設計傾向輕薄，以往其厚度受限於體積較大的介面接口，如網口(RJ-45)、HDMI、VGA等，而今透過USB Type-C協議之替代模式(Alt Mode)，即可輕易解決相關問題。消費者選購時，只須挑選符合使用習慣的擴展基座即可。
Apple MacBook即是具代表性的產品，MacBook僅有USB Type-C基座，但搭配各種擴展基座，就能擴展使用功能及使用者需求情境，提供充電與數種相關介面轉換(圖1)。而本文將提出纜線和擴展基座設計的關鍵技術與解決方案，對市面上常見的溫度、充電與傳輸問題提出討論。
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| 圖1 USB Type-C相關介面轉換 |
如何提升USB Type-C纜線使用體驗
USB Type-C是目前最先進的連接器標準，也是未來高速訊號有線傳輸的發展趨勢，目前市面上搭載USB Type-C介面的產品與日俱增，也伴隨著更多的USB Type-C纜線的使用需求。單純從外觀來看，大部份USB Type-C纜線並無特殊差異，一般消費者在選購時難以分辨纜線品質的優劣。
協會規範賦予USB Type-C正反面皆可插拔的特色，對於內部金屬接點之機構也定有標準，相較於Type-A或Micro-B，更能承受多次插拔或意外拉扯。然而，由於USB Type-C的體積較小，接口尺寸僅8.3×2.5mm，有24個引腳，故其引腳亦較小，須承載最大電流5安培(A)及高達100瓦(W)的功率，經過多次使用可能導致纜線之接口入塵、受潮、鏽蝕或遭異物污染，容易造成接頭內電阻的短路現象，進而引發過熱，甚至存在燒毀手機、筆記型電腦、平板等行動裝置的風險。因此，如何保護USB Type-C纜線是不容忽視的重要課題。
USB Type-C纜線保護方式
正溫度係數熱敏電阻
正溫度係數(PTC)熱敏電阻是一種具溫度敏感性的半導體發熱陶瓷電子元件，室溫下會保持恆定的電阻值，一旦超過某個溫度，電阻值就會急遽升高。當USB Type-C介面發熱時，PTC熱敏電阻會因溫度升高而急遽拉高內電阻，使流經Vbus的電流變小，元件溫度降低；元件溫度降低後，電阻值再度減小，使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，讓溫度保持在特定範圍，達到保護之作用。缺點是PTC熱敏電阻在常溫也有內電阻，會增加功耗，且大電流的PTC熱敏電阻會增加載板(Paddle Card)的面積(圖2)。
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| 圖2 利用PTC熱敏電阻形成纜線保護機制 |
負溫度係數熱敏電阻
負溫度係數(NTC)熱敏電阻是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，採用陶瓷工藝製造而成。此類金屬氧化物材料都具有半導體性質，因此導電方式類似鍺、硅等半導體材料：溫度低時，這些氧化物材料的載子(Charge Carrier)數目少，所以電阻值較高，而隨著溫度的升高，載子數目也會增加。因此常溫時電阻較大，正常工作時若串接對地消耗功率不大，當溫度上升後，其電阻會變小。
在USB Type-C接口發熱的情況下，NTC熱敏電阻會因溫度升高而降低內阻，由內部數位類比轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)讀值判斷，達設定之溫度保護點後，驅動金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)切斷Vbus電源，以達到保護作用。
雖然NTC熱敏電阻的體積比大電流之PTC熱敏電阻小，且常溫功率耗損低、量測精度高，但必須增加ADC與MOSFET的成本，因此對於錙銖必較的纜線成本較為不利(圖3)。
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| 圖3 利用NTC熱敏電阻形成纜線保護機制 |
電子標記晶片之內部溫度保護偵測
電子標記(E-marker)晶片的內部溫度保護偵測，是利用E-marker晶片內部溫度保護偵測(ITS)功能，當USB Type-C接口發熱，會傳導至E-marker晶片，內部溫度升高至晶片設定之溫度保護點後，將內部CC(Configuration Channel)訊號上拉，約2毫秒(ms)後，會促使通用序列匯流排電力傳輸(USB PD)供電端超過連結時間，讓USB PD機制重啟，切斷Vbus電源達到保護功能。重啟後會再次偵測此時溫度是否恢復，並持續循環。市面上已有USB Type-C與USB PD晶片供應商將此功能導入產品，其所增加的成本極小卻可以有效保護USB Type-C纜線(圖4)。
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| 圖4 利用E-marker晶片形成纜線保護機制 |
綜合上述，PTC熱敏電阻會增加功耗及載板大小。NTC熱敏電阻精確度較高，但相對來說成本也較高。而使用E-marker晶片保護USB Type-C纜線，可盡量不增加載板面積且成本低，是三種方式中較推薦的保護方法。
USB Type-C擴展基座與轉接器的普及
USB Type-C在行動裝置的滲透率日益升高，相較於Type-A及Micro-B埠其體積較小，符合行動裝置設計更輕薄的需求，而支援正反插的設計也更貼近使用情境。USB Type-C的CC腳位可讓主控端與裝置端進行Alt-mode協議與多種規格傳輸，如USB 2.0、USB 3.1 Gen1(5Gbps)、USB 3.1 Gen2(10Gbps)、DisplayPort、HDMI等。透過USB Type-C介面，PD 2.0/PD 3.0協議可讓受電端(Sink)與供電端(Source)自由配對5V至20V的電壓，讓受電端可選擇最合適的充電電壓，以達成高速充電的目的，最高可達100W(20V/5A)供電。USB Type-C也支援電源角色互換(Power Role Swap)與資料源角色互換(Data Role Swap)，更增添USB Type-C擴展基座的功能完整性。實現多協議支援，讓資料、充電及影像傳輸可同時運行，是USB Type-C擴展基座普及的關鍵。
USB Type-C支援電源角色互換，當擴展基座只連接筆記型電腦，擴展基座的電力來自筆電，可稱之為「Bus-Powered Mode」(圖5)。當擴展基座再連接上USB PD電源充電器，此時電力轉由充電器提供，並同時可對筆電供電，稱之為「Charge Through Mode」(如圖6)。目前市面已上有業者推出單晶片整合方案，如威鋒電子的VL10X方案，即整合對上與對下的USB PD晶片，內建告示板(Billboard)再搭配集線器控制晶片，以縮短擴展基座的設計與生產時程。而這也是目前市面上較普遍被採用的解決方案。
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| 圖5 Bus-Powered Mode示意圖 |
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| 圖6 Charge Through Mode示意圖 |
手機USB Type-C介面待解問題
現今手機運算功能日趨強大，人們對手機的依賴程度增高，手機大廠如三星、華為等皆推出USB Type-C手機。透過擴展基座與轉接器，使用者可將手機變桌機：當手機接上擴展基座將畫面延伸擴展至螢幕，螢幕所顯示的操作模式是熟悉的Windows或Chrome OS，與使用桌機無異。商務人士出差時，只須透過擴展基座即可達成隨處皆為行動辦公室的理想情境，省去攜帶筆電的負擔。此外，隨著手機遊戲與線上影集平台的蓬勃發展，將手機投影到大螢幕的需求也因此日益攀升。
手機高壓充電與內部降壓所產生之發熱問題，長久以往是難解之題，但透過USB Type-C PD 3.0規範的可編程電源供應(PPS)可解決此困境。
USB Type-C雖帶來便利，然而汰換介面也會產生難以兼顧的新問題。為節省空間並改善手機防水功能，手機商陸續將3.5mm耳機孔自設計中移除，手機僅配置單一USB Type-C埠，消費者無法於使用耳機的同時為手機充電。為解決此問題，市場上出現新款轉接器，一個USB Type-C埠加上一個3.5mm耳機孔，其缺點為無法實現快速充電，購買手機時所附贈之USB Type-C耳機也無法使用；另一種新式轉接器為兩個USB Type-C埠，指定其一USB Type-C埠為充電使用，另一埠即為USB Type-C耳機孔，其缺點是使用者無法從外觀一眼分辨何者支援充電或耳機功能。
對此，廠商推出VL104晶片，同時整合上行埠與兩個下行USB Type-C埠，兩個下行埠皆支援充電與聽音樂，並將原本線路中的升降壓轉換器(Buck-Boost)整合入晶片，且支援自動省電模式(Auto-Standby)，當轉接器未運作時，可自動進入休眠，實現智慧省電。
(本文作者皆任職於威鋒電子)