在USB標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史上,，USB4可能是USB自從問世以來,，重要性僅次于Type-C 接頭的發(fā)展里程碑,。由于USB4 整合了Thunderbolt 3協(xié)定,，不僅介面頻寬的極限值一口氣拉高到40Gbit/s,，支援其他協(xié)定的方法也更優(yōu)雅,、更有效率,，為USB介面開拓了更多潛在應(yīng)用市場,。

　　USB4性能全方位提升　性價比遠超Thunderbolt

　　威鋒電子新市場開發(fā)部總監(jiān)Terrance Shih（圖1）指出,，提到USB4，一般都會想到更快的傳輸速率,，但與先前的USB版本相比,，USB4不只是速度更快而已，在傳輸機制方面,，也有很明顯的改良,。

　　圖1　威鋒電子新市場開發(fā)部總監(jiān)Terrance Shih指出，由于傳輸機制改良,，USB4的整體性能有了十分明顯的突破

　　在USB3.x介面,，藉由Alternative Mode，USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的訊號格式,，進而讓USB介面可以當(dāng)作影音傳輸介面來使用,。但Alternative Mode會占用一條專屬通道，如果用USB3.x介面同時連接Displayport跟其他資料儲存裝置,，即便Displayport沒在使用,，分配給Displayport的專屬通道也不會釋放給其他資料傳輸應(yīng)用，降低資源運用的效率,。

　　針對這個問題,，USB4採用穿隧（Tunneling）協(xié)議的作法。例如在USB,、Displayport跟PCI Express三種協(xié)定同時存在的情況下,，USB4的主控端（Host）會把這三種不同協(xié)定的封包匯聚起來,，在一條共通的通道上傳輸；到了裝置端再把不同協(xié)定的封包分離,，配送到對應(yīng)的周邊設(shè)備,。

　　由于傳輸機制的改良，USB4介面的資源使用變得更有效率,，不同協(xié)定的資料在傳輸時彼此拖累的情況大有改善,，讓USB4變成一個更理想的多用途介面。這對于筆記型電腦擴充基座（Docking）這類需要連接多樣化周邊的應(yīng)用來說,，是相當(dāng)關(guān)鍵的,。

　　而且，雖然USB4跟Thunderbolt4使用一樣的協(xié)定,，具有相同的傳輸效能,，但因為拿掉了vPro這類高階功能，驗證跟取得Logo授權(quán)的成本也低很多,，因此,，支援USB4的產(chǎn)品會比Thunderbolt4要便宜得多，有利于市場推廣跟普及,。

　　測試工作繁重　自動化將成關(guān)鍵

　　在USB4的相容性測試跟合規(guī)測試方面,，由于頻寬增加，又強化了對多種協(xié)定的支援性,，因此USB4產(chǎn)品的設(shè)計驗證跟測試工作,，變得更為複雜。

　　是德（Keysights）科技技術(shù)專家邱柏勝（圖2）指出,，由于頻寬增加,，因此USB4對電氣特性的要求，變得更為嚴(yán)謹(jǐn),。因此,，工程師需要更精準(zhǔn)的抖動（Jitter）跟雜訊分析工具，測試設(shè)備也必須支援更先進的等化（Equalization） 與數(shù)學(xué)運算功能,。而在協(xié)定分析方面,，因為USB4是一個主打多協(xié)定融合的介面，所以工程師所使用的工具除了要能涵蓋USB4,，還必須支援Displayport 等其他協(xié)定,。

　　圖2　是德科技技術(shù)專家邱柏勝表示，為降低USB4測試的人力作業(yè)負(fù)擔(dān),，測試工具的自動化將是必然的趨勢

　　但除了儀器本身的訊號擷取跟協(xié)定分析功能外,，邱柏勝認(rèn)為，自動化測試能力,，將是儀器廠商能否真正協(xié)助USB4開發(fā)者解決問題的關(guān)鍵所在,。USB4的測試規(guī)范十分嚴(yán)謹(jǐn),，又要支援多種協(xié)定，意味著工程師需要執(zhí)行的測試項目將大幅增加,，且其中有些測試項目需要相當(dāng)長的時間才能完成,。因此，更強大的自動化功能,，將是USB4測試方案中不可或缺的一環(huán),。

　　確保介面性能表現(xiàn)　USB-IF要求線纜品質(zhì)

　　作為承載訊號的介質(zhì)，線纜的品質(zhì)是決定介面真實性能表現(xiàn)的重要因素,，尤其是對于像USB4 這種高速界面來說,，線纜的好壞，更會對介面的傳輸性能造成極大影響,。為確保線纜的品質(zhì)合乎規(guī)范,，USB-IF對USB4的線纜設(shè)計，也提出了對應(yīng)的規(guī)范與測試要求,。

　　優(yōu)力國際安全認(rèn)證（UL）專案工程師葉建緯（圖3）指出,，USB-IF 已經(jīng)發(fā)布USB4 Gen 3線纜以及連接器標(biāo)準(zhǔn)及需求，規(guī)定線纜跟連接器必須支援15GHz頻寬,，測試時的頻寬則為20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相關(guān)規(guī)格,，就目前可以掌握的消息,，對裸線的設(shè)計沒有太大的變化。

　　圖3　優(yōu)力國際安全認(rèn)證專案工程師葉建緯表示,，為確保USB4的性能表現(xiàn),，USB-IF對線纜有明確的規(guī)格要求跟測試規(guī)范

　　但因為USB4必須搭配Type-C 連接器，因此USB4線纜設(shè)計還是須符合Type-C的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,，如圖4所示,。此外，除了訊號線以外,，USB4線纜還須包含其他功能性芯線,，如VBUS VCONM SBU等。針對這些芯線的設(shè)計規(guī)格,，USB-IF均有對應(yīng)的規(guī)定,，且USB-IF規(guī)定線纜結(jié)構(gòu)直徑不可超過4.8mm+/- 0.2，所以使用長度上必定會有所限制,。

　　圖4　Type-C纜線結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

　　葉建緯指出,，整體線徑的規(guī)范是使用便利性跟效能、成本妥協(xié)后的結(jié)果,。線徑變粗固然可以讓線纜具有更好的性能,，但同時也會讓線纜變得難以彎折,，對使用者造成許多不便，更會增加生產(chǎn)成本,。

　　基本上,，對于USB4纜線這類電纜而言，同軸線的設(shè)計及製程,，會決定線纜特性及品質(zhì)的好壞,。成纜、編織以及外被押出,，對于同軸線來說都是損耗,，所以在各製程的機臺選擇、參數(shù)設(shè)計及製程能力都需加以驗證及設(shè)計,。

　　加工方式也會直接或間接的影響同軸線的生產(chǎn),。大多數(shù)加工廠使用光學(xué)鏡頭對焦及雷射切割，因此芯線本身的顏色,，也會是影響製程穩(wěn)定性的主要因素之一,。遮蔽材料的包覆也會影響加工的便利性，加工時導(dǎo)體及絕緣長度,，則會直接影響線纜的所有特性,。

　　USB PD3.1配套還需醞釀

　　除了頻寬跟協(xié)定的改良外，更大的功率傳輸能力,，也是USB介面的重要發(fā)展方向,。在USB進入4.0時代之后，專門規(guī)范USB 供電能力的USB PD也進入了3.1 時代,，將功率傳輸?shù)臉O限提高到240W,。

　　偉詮電子資深處長羅汶光（圖5）指出，USB PD3.1規(guī)范最重要的變動,，在于增加了EPR（Extended Power Range）跟AVS（Adjustable Voltage Supply）兩個機制,。EPR 讓USB PD的供電電壓可以提高到48V，進而實現(xiàn)240W供電能力,；AVS則是考量到電壓變化范圍加大,，既有PPS模式?jīng)]有規(guī)范到20~48V這個區(qū)間，所做出的電壓調(diào)節(jié)補充規(guī)范,。

　　圖5　偉詮電子資深處長羅汶光指出,，雖然USB PD3.1將供電能力的上限提高到240W，但受到電路拓?fù)涞南拗疲?20W以下的應(yīng)用產(chǎn)品會發(fā)展得比較快

　　但羅汶光也指出,，雖然PD3.1 將供電能力的極限提高到240W,，但因為是透過將供電電壓提高到48V來實現(xiàn)，所以在充電器設(shè)計,、受電端的安全防護方面,，都需要做好對應(yīng)的配套,。

　　在充電器設(shè)計方面，目前最大的挑戰(zhàn)在AC/DC電路拓?fù)涞倪x擇,。目前已經(jīng)很成熟的QR,、ACF拓?fù)洌?8V條件下的效率表現(xiàn)不是很理想,，因此業(yè)界正在探索使用混和式拓?fù)涞目赡苄?，讓充電器的AC/DC電路在低壓跟高壓工作條件下，都能有良好的效率表現(xiàn),。

　　在受電裝置的安全性方面,，由于電壓提高到48V，所以在Type-C接頭被拔出受電裝置時,，可能會產(chǎn)生電弧火花,。這會帶來相當(dāng)大的安全疑慮，故受電裝置的製造商,，例如NB廠商,，必須導(dǎo)入對應(yīng)的保護機制，才能降低意外事故發(fā)生的風(fēng)險,。