回顾USB发展史的辉煌

中国又完成了一次人类历史上规模最大的迁徙过程。与往年的状况相似，铁路仍然是人们春节出行的首选，但与往年不同的是人们的出行节奏发生了变化，假期结束时的出行时间后移了，但到达时间却没有后移，这也就意味着同时在途的人增加了，而每个人的在途时间却缩短了，旅途再也不是那么劳累了，这对提高中国人的幸福感自然会有莫大的帮助。导致这种变化的根本原因是高铁，它很可能彻底地改变了中国。

高铁的设计与早期的铁路设计有巨大的不同。首先，它是双向运行的，两列火车可以相向而行，不用在某个地方停下来等对方车辆通过之后再走。其次它是高速运行的，比早期的火车速度高了若干倍。这些优势的出现大大缩短了两地之间的时间距离，使过去看来遥不可及的两地变得很近很近，运行效率大大提高，这对国计民生的改善自然会有极大的帮助。

关心军事装备发展的人应该会注意到美国最新最强大的福特号航母马上就要服役了，这种耗资150亿美元建设的大型军事设施的威力远超世界上很多国家的全部军力。同时，据美国媒体《华盛顿自由灯塔》网站最近报道，说中国在最近试验了在铁路上发射东风-41，如果这是真的，这就意味着通过高铁的运输今天还在西北的导弹明天就可以出现在西南或是东北，而且可以在任何一个地方停下来就进入战斗状态，处处都可以是发射阵地，这将使中国保卫自己的能力越来越高，可以更有效地防范外来的战争风险，确保国家的长治久安。

在我看来，USB的进化与铁路的进化是有得一比的。

2.0版本以前的USB就像过去的单线铁路一样，上行和下行的数据是通过同一条线路进行传送的，当两个方向的数据量都很大的时候，交通拥堵的状况是不堪忍受的。我在整理自己的移动硬盘的时候有一种很自然的反应就是直接将一个硬盘上的文件移动到另一个硬盘上，但我几乎每次这么做了之后都会后悔，因为电脑很快就会告诉你还有几十分钟甚至是以小时计的时间需要等待，这个时候的电脑显示的数据在移动的动画也变得如同乌龟在爬。面对这样的状况，如果你没有什么急事，自然可以让电脑慢慢地去完成任务，遇到公众场合有两个人或更多人要交换一下各自的文件，那就变成一件恼人的事情了，偏偏是这样的状况我还多次遇到，有时候就不得不放弃了。

USB在进行数据传输的时候对传输的品质是有分级的。对于流媒体，如语音通讯、视频传播，它们是容许某些数据被丢失的，遇到某些错误也不会去管它，系统只管将能够使用的数据利用起来，丢失和错误的部分就不要了，因为这可以依靠我们的大脑来对此进行补充或是说弥补，因为我们的大脑可以在没有获得全部信息的情况下利用已有信息来做此工作。但在进行数据传输的情况下，就像我说的文件移动和复制，那就需要所有信息全部正确才行，一旦在传输中的数据有错，系统就需要根据一定的算法进行错误纠正，如果纠正失败，那就需要要求重发。如果整个过程都没有错误，收端还需要向发端发送收到正确的确认信息。这些都是一个数据通讯系统本来应有的东西，但是这些措施的存在自然是会降低数据通讯的效率的。所以，虽然USB 2.0已经将数据传输速度提高到了480Mbps，这个速度还被定义为高速，但落实到具体的应用中，实际还是很低的，它远远满足不了技术发展、信息爆炸和人心的欲望。

2008年，USB 3.0问世，它的总线结构被设计成这样：

这是一种双总线结构，超速的数据通道和USB 2.0通道同时并存。为了同时满足两个通道的需求，其电缆的规格也得到了加强，其内部电路如下：

很显然，VBUS/GND和D+/D-都是从USB 2.0继承来的，它们按照USB 2.0以前的规格运作。标注为SSTX+/-和SSRX+/-的两对线就是为全新的规格准备的了，从这个图上就可以看出来，这两对线是单向传输的。在旧的标准中，两个方向的数据不得不分时在线上传输，其数据吞吐量自然会受影响。新标准对单向传输的数码速率的定义是5Gbps，这个速度被称为SuperSpeed（我把它翻译为超速），以便和原来使用的Low-Speed(1.5Mbps)、Full-Speed(12Mbps)和High-Speed(480Mbps)区别开来。超速信号的传输和旧的方法不同，在其发送端，信号通过电容以交流耦合的形式被驱动器送到传输线上。

高达5Gbps的信号在电缆上传输，可能带来的EMI问题也是很严重的。所以，USB 3.0电缆中用于超速数据传输的电缆需要被屏蔽起来，USB 3.0的连接器中特别安排了所谓的GND_Drain供此屏蔽线连接。而最后的整条电缆也是需要被屏蔽起来的，这个屏蔽层就需要与连接器的金属外壳连接起来了。

符合USB 3.0的电缆，其内部是这样一种结构：

其中的UTP Signal Pair是用于USB 2.0的信号传输的，两对SDP Signal Pair就是用于超速信号传输的。所谓的UTP是非屏蔽双绞线的英文首字母缩写，SDP则是屏蔽差分线的英文首字母缩写。

很显然，USB 3.0的电缆线的规格要比USB 2.0以前规格的线复杂，要求也会高很多。实际上，规范还给出了电缆用线的规格选择指导，可供制造商参考使用：

线多了，连接器的端子就需要增加，还要同时保持和原有USB连接器的兼容，这无疑是增加了设计的难度，但是，这些都成了现实。

USB 3.0的连接器是在原有的标准A型和B型连接器以及Micro-A、Micro-B和Micro-AB型连接器上的升级，原有的Mini系列的连接器没有再出现，但是新增了一个Powered-B型连接器。利用新增加的Powered-B型连接器，它容许一台使用标准B型插座的USB外设向USB适配器提供电源供应，避免这样的适配器还要自备电源，为达此目的，Powered-B型连接器又多出了两个端子，但其结构和标准B型连接器还是兼容的。

USB 2.0和USB 3.0两种规格的插头和插座之间的适配关系如下面的表格所示：

从一个最终产品的使用者的角度来看，我们能够看到的USB标准A型插座外观如下图中的虚线围起来的部分所示（这是机械结构图，看不懂的往后翻去看照片）：

上图中虚线框下面的像脚一样的爪子是要被焊接在机器内部的板子上的。虚线围起来的部分的标识如下：

其中标识为1、2、3、4的就是与原有USB 2.0兼容的端子，它们突出在外；表示为5、6、7、8、9的就是USB 3.0新增的端子，它们是沉陷下去的。如果我们换个角度来看，这些端子的平面位置关系展示如下：

再换个角度，你看到的就会是这个样子：

要看懂上面的图，你是需要有一点机械制图的知识的。没有相关知识的人可以看下图：

这个图可以被认为是一张照片了，它同时把USB 3.0 标准A型插座和插头都包含在内了，左边是插座，右边的是插头。唯一的缺憾是你没有办法透过照片看到物体内部的细节，这是需要用前面的那几幅图来深入了解的，从这一点你可以了解工程人员表达世界的方式和普通人是不同的。

上述照片中的彩色是规范所定义的一种标识USB 3.0接口的方法，但它不是强制标准，只是一种建议，也正因为这只是一种建议，我的笔记本电脑上的USB 3.0接口就没有这种颜色标识，而我的另外一台USB集线器就采用了这种方法。
既然用颜色来标识USB 3.0接口只是一个建议，那么一个消费者怎样识别一个USB接口是否是 3.0的规格呢？你需要看该接口上是否有如下标志：

它实际表示的是“这是一个SuperSpeed的USB接口”。当然了，其中的细线和文字不属于标识符的内容，它们是用于说明其制作标准的信息。作为实例，你可以在上面的照片中的插头上看到它。在你的电脑上的USB接口旁边也可能有这一标识，如果你看到的标识没有SS符号而是被圆点代替了，则表示那还是USB 2.0以前的规格。

对于其它的几种插座和插头的设计我就不打算继续介绍了，真正的需求者可以去阅读USB 3.0的规范以了解更多。

站在一个电源工程师的立场来看USB 3.0，大概会发现其电源管理方法和USB 2.0的方法是类似的，但是它把电源供应能力预算提升了。旧的规格在外设完成配置前/后可以吸取的电流是100mA/500mA，USB 3.0则把规格提高到了150mA/900mA。这种改变对应用来说自然是个福音，这对USB 3.0发布的时间来说可能是合适的，但对当前的应用来说仍是很不足的。

在USB的规范中，像上述的100mA和150mA被称作一个单位的电流负载，而900mA被称作6个单位电流负载。

作为一个电源工程师，我们会非常关心电源的安全问题。在各种电源的安全规格中，短路保护可能是最重要的一个，因为这是最容易发生的事情。

看看USB的插座你就会知道它的VBUS和GND是完全裸露在外的，如果有人将一块金属片插入其中，很容易就会造成两者之间的短路。一个电源在输出短路情况下的电流输出是由其最大电流输出能力决定的，这个能力通常会受到设计上的限制以便保护电源系统。但是，电源输出端一旦短路，输出电压就肯定无法维持了，它只会根据造成短路的线路的阻抗结合流过的电流而形成一定的电压，通常这会是一个很低的值。所以，如果这个电源的输出上还有别的负载存在，这些负载在面临这样的恶劣状况时不能保持正常工作就是必然的，这意味着系统很可能会崩溃掉。

为了让USB这样的接口能够免受短路的困扰，系统设计者可以选用带有限流保护的电源开关装设在接口上，其电路通常是这样的：

为VBUS供电的5V电源先通过VIN接入RT9742，在EN使能端有效以后VOUT就会有输出，输出经输出电容COUT去耦后接到VBUS端即可。

如果RT9742发现输出电流过大，它就会进入限流状态，这必然造成VBUS总线上的电压降低，但是RT9742的输入电压并未下降，所以其VIN和VOUT之间就会存在压降，这将使其功耗增加并发热。当RT9742的内核温度高到一定的程度时，其内部开关会因过热而关闭，输出端得不到电流的补充，故障也就变得没有意义了。

内部开关关闭以后的RT9742会因为没有功耗而导致其温度逐渐下降，下降到一定程度时就会重启其输出。此后，如果故障问题已经消除，则工作就进入正常状态。如果故障依旧，上述的保护过程就会重复进行。

RT9742的FLG端子是一个开漏输出端，当负载正常时它处于高阻状态，其电压就等于其上拉电阻所接的电压。如果过流状况发生，其内部与GND导通，其电压为0V。因此，这个端子可被当作故障指示信号供系统使用。

RT9742这样的开关是为端口的安全负责的，所以有通过UL的认证，你可以在立锜的产品文件中找到相应的认证号码。

在我的工作经历中曾将像RT9742这样的器件用于很多种目的的应用中，从而大大拓展了它的应用空间。特别需要提示的是，立锜的这类开关都具有隔离输入和输出的功能，它们可在非使能情况下避免输出端的电流流向输入端，这是很多同类产品不具备的特性。

RT9742有多种电流限制值可选（3A/2A/1.5A/1A），其使能信号的极性也是可选的（高/低），可以分别满足不同应用场合的需要。在正常导通情况下，电子开关将引入一定的阻抗，会因不同的电流带来一定的压降，这是设计者需要注意的。对于RT9742来说，其引入的阻抗为70mΩ或55mΩ，具体的值与其所使用的封装有关，设计者可以选用倒装结构的封装以获得最佳性能。