目前USB4接口已經(jīng)在PC主機、筆記本電腦、一體機、迷你主機、VR頭顯等終端上得以普及，周邊生態(tài)如全功能線纜、硬盤盒、擴展塢種類豐富，伴隨iPhone15旗艦手機的加入，未來有望一條USB4全功能線纜完成端到端數(shù)據(jù)、視頻、充電、音頻全搞定，縮短等待時間，大幅提升生產(chǎn)效率。USB4的應(yīng)用從20Gbps起跳，目前40Gbps已經(jīng)普及，未來80Gbps和120Gbps也將迎來商用，可見USB-C高速接口生態(tài)一直在挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)傳輸極限，將極速進行到底。
由充電頭網(wǎng)舉辦的2023 USB4高速傳輸技術(shù)研討會已經(jīng)于10月17日在充電頭網(wǎng)公眾號以及嗶哩嗶哩平臺進行直播。本次直播邀請了USB-IF授權(quán)實驗室、頭部芯片企業(yè)、連接器企業(yè)、精密制造企業(yè)專業(yè)人士等領(lǐng)域的數(shù)十位各個領(lǐng)域的大咖為大家答疑解惑，并進行深入的交流與討論，分享市場最新動態(tài)與干貨。這些討論有助于推動高速傳輸技術(shù)的發(fā)展，提高用戶體驗，促進行業(yè)的進步。
在本次大會上，英飛凌科技（中國）有限公司（簡稱：英飛凌）給大家?guī)砹恕队w凌USB4端到端完整解決方案》的精彩演講，演講嘉賓是英飛凌 大中華區(qū)域 市場經(jīng)理 袁強先生。本次演講為大家分享了USB4的演變過程和與以前版本的對比，引出E-Marker芯片對于USB4產(chǎn)品的重要性，然后再推出英飛凌的E-Marker芯片CMG2，為USB-C擴展塢的應(yīng)用提供整體解決方案，幫助客戶節(jié)省成本，并縮短上市時間。
袁強先生負(fù)責(zé)英飛凌USB數(shù)據(jù)和PD產(chǎn)品市場管理，熟悉筆記本，dock，hub，PD充電器等應(yīng)用方案與市場。超過16年半導(dǎo)體技術(shù)支持，銷售，市場等經(jīng)驗，超過七年USB-PD行業(yè)經(jīng)驗，中國最早從事PD應(yīng)用行業(yè)的一批人。
USB4的演變過程，從1996年發(fā)布的USB1.1版本開始，傳輸速率只有12Mbps，到目前最新的USB4 V2版本，傳輸速率上升到了80Gbps。充電功率也從原本的2.5W（5V/0.5A）上升到了240W（48V/5A）。隨著AlternateMode的引進，DisplayPort是從2014年左右加入到USB的兼容協(xié)議中，DisplayPort的傳輸速率也從21.6Gbps（4K@60）到現(xiàn)在最高80Gbps（8K@60）。Thunderbolt是2015年左右加入到USB中的，傳輸速率也從開始的40Gbps提升到80Gbps。
以上2個圖是USB4與以前方案的對比。USB3.2版本時候傳輸?shù)氖羌僓SB數(shù)據(jù)，與PCle、DP等與USB沒有關(guān)聯(lián)的，從USB4開始兼容了以前傳統(tǒng)的PCle、DP等協(xié)議，所以某個層面上來說，USB4是集協(xié)議之大成者。
USB4的傳輸方式如上圖所示，USB4的數(shù)據(jù)包含了USB 3.2、DisplayPort和PCIe，把與USB不太相關(guān)的協(xié)議也放進來了，形成以一個隧道協(xié)議，即一種將不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包重新封裝在一起傳輸?shù)姆绞剑瑪?shù)據(jù)包傳遞經(jīng)過的路徑叫做隧道。通過隧道協(xié)議將USB 3.2、DisplayPort和PCIe數(shù)據(jù)封裝成一個數(shù)據(jù)包，然后選擇隧道協(xié)議發(fā)送路徑，通過USB4結(jié)構(gòu)來發(fā)送，再通過USB4結(jié)構(gòu)接收，解碼隧道協(xié)議的數(shù)據(jù)包，分離出USB 3.2、DisplayPort和PCIe數(shù)據(jù)，形成一個完整的隧道傳輸方式。
但要實現(xiàn)以上功能，都需要用到PD芯片完成的，或者把PD芯片作為USB4的鑰匙，需要USB4在打開之前，通過PD芯片與設(shè)備進行溝通，識別USB4身份，進入USB4的工作模式。USB4支持的另一個快充功能，也是需要PD芯片完成的。
以上是Thunderbolt4、Thunderbolt3、USB4、USB3/DP的對比表。目前來說Thunderbolt4是最高端的協(xié)議，但Thunderbolt5的方案也準(zhǔn)備公布了，預(yù)計明年年初推出。USB4與Thunderbolt4的主要區(qū)別是最小傳輸速度的區(qū)別，因為USB4的最小支持速度是20Gbps，而Thunderbolt的最小傳輸速度為40Gbps，所以在這里，USB4類似是Thunderbolt的子級，Thunderbolt是一個超級。USB4是沒有強制要求支持PCle的，但是一定要支持DP顯示，另外Thunderbolt一定會支持PCle。USB4與Thunderbolt充電功率的區(qū)別，因為筆記本電腦、PC電腦在輸出功率時候，一般在輸出時候，最低也會進行5V的電壓輸出，但Thunderbolt需要支持功率15W（5V/3A），USB4需要支持7.5W（5V/1.5A）的功率，USB3/DP僅需支持4.5W（5V/0.9A）的功率。
以上是英飛凌的產(chǎn)品線，涉及電源、USB線纜 、電腦、電動工具、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。 提供完整的端到端USB-PD解決方案，例如EZ-PD CCG3系列，是一款高度集成的USB-C型控制器，符合最新的USB-C和PD標(biāo)準(zhǔn)，是一個完整的USB-C和USB電源端口控制解決方案，可用于筆記本電腦、顯視器、拓展塢以及電源適配器等設(shè)備。英飛凌服務(wù)的客戶非常多，在PC市場有全球最大的客戶群，握手許多知名PC廠商，幫助廠商縮短開發(fā)產(chǎn)品的時間。
以上是英飛凌USB4 host的簡要框圖，使用英飛凌的PD芯片，需要與其他芯片進行溝通，需要在什么時間輸出什么信號，功率、輸出協(xié)議的控制等。例如筆記本在進行充電或者對外放電時候，都需要PD芯片的參與，供電協(xié)議都集成在PD芯片上，所以PD芯片既能對筆記本進行高達(dá)240W的供電，也能支持15w(5V/3A)的對外放電。
PMG1-S3 USB-C 擴展塢框圖 - 數(shù)據(jù)路徑和端口的應(yīng)用原理圖與PMG1-S3與以前方案的對比圖。PMG1-S3是一款支持USB PD3.1的協(xié)議芯片，支持28V 5A（140W）輸出和取電。PMG1協(xié)議芯片均內(nèi)置MCU微處理器，支持一到兩個接口輸入與輸出。可提供額外的控制功能，適合智能揚聲器、筆記本電腦、電動工具和存儲設(shè)備等。
英飛凌PMG1系列協(xié)議芯片內(nèi)部集成可編程模擬和數(shù)字模塊，可使用智能模擬傳感器集成在應(yīng)用內(nèi)部。可使用ModusToolbox集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，其內(nèi)部集成了PMG1的軟件開發(fā)套件、設(shè)計套件和快速啟動指南，縮短總體開發(fā)時間和產(chǎn)品上市時間。PMG1還支持現(xiàn)場編程，支持簽名固件更新。
EZ-PD CCG7SC是一款高度集成的單端口USB Type-C供電（PD?）解決方案，帶有DC-DC控制器，符合最新的USB-C和PD規(guī)范，面向單端口和多端口消費類PD充電應(yīng)用。
支持 USB PD 3.1 SPR、BC1.2、蘋果充電、三星 AFC、QC5.0 快速充電標(biāo)準(zhǔn)，即支持 USB PD 3.1 SPR的100W以內(nèi)的充電功率，支持DC-DC 支持強制降壓和降壓-升壓配置。支持動態(tài)負(fù)載共享、電纜補償、黑匣子和固件升級等功能。配備了ARM Cortex-M0 CPU，這是一款32位MCU，已針對低功耗操作進行了優(yōu)化，具有廣泛的時鐘門控功能。擁有完善的保護功能，包括 OVP、UVP、SCP、OTP、VCONN OCP 和 VBUS-CC 短路。
以上是USB-C 擴展塢解決方案的一個參考設(shè)計板，采用PMG1S3和CCG7SC打造而成。目前，英飛凌已經(jīng)開放這個參考版的申請。該參考板的更多參數(shù)可前往英飛凌官網(wǎng)下載相關(guān)的文件進行查閱，包括原理圖、PCBA圖，還開放了部分底層代碼，通過簡單的調(diào)試軟件，可以方便客戶進行一定程度的客制化，滿足客戶定制化需求。英飛凌為這些USB-C擴展塢應(yīng)用提供整體解決方案，幫助客戶節(jié)省成本，并縮短上市時間。
接下來介紹的是英飛凌新推出的E-Marker芯片CMG2。以上是CMG2的命名規(guī)則。
CMG2意思是相對于CMG1是第二代E-Marker芯片，或者是專門開發(fā)的第二代E-Marker芯片。該芯片支持USB4、TBT4、PD3.1 EPR，還支持VCONN和CC引腳上的短路保護，避免元器件老化或意外短路導(dǎo)致的引腳短路，VBUS的意外短路保護耐壓達(dá)54V，英飛凌的E-Marker芯片非常重視產(chǎn)品短路保護方面的功能，通過以上保護功能，可以有效避免產(chǎn)品發(fā)生意外短路。
以上是英飛凌CMG2和CMG1的對比圖。CMG2相較于CMG1，主要是支持更新的USB4、TBT4、PD3.1 EPR（48V），VCONN和CC引腳耐壓也從24V提升到54V。均采用了9-CSP封裝工藝，封裝和走線都非常簡單，如果采用DFN的封裝，在PCB的布板上，會比較困難一些。
以上是E-Marker芯片CMG2的詳細(xì)信息。支持USB4、TBT4、PD3.1 EPR（48V），VCONN和CC引腳54V的耐壓。待機功耗低至1.7mA。封裝工藝采用9-CSP，是非常小的封裝工藝，可以適配更多的產(chǎn)品應(yīng)用，例如USB4的E-Marker芯片。
以上是CMG2的產(chǎn)品選擇指南。CMG2編號為CYPD2803A1-9FNXIT，目前該芯片已經(jīng)量產(chǎn)出貨中。
目前，英飛凌官網(wǎng)已經(jīng)開放CMG2英文的文檔資料，對CMG2感興趣的可前往官網(wǎng)下載相關(guān)資料。同時也可以下載 EZ-PD Configuration Utility進行參數(shù)的調(diào)試等。
通過 EZ-PD Configuration Utility1.4.0版（或更高版本）可以對CMG2芯片進行參數(shù)調(diào)試。比如可以通過線的長度，相關(guān)的協(xié)議輸入來進行配備產(chǎn)品，以及燒錄、讀取文件等。
以上是英飛凌USB4端到端完整解決方案的精彩演講，更多資訊可以前往英飛凌官網(wǎng)了解。
英飛凌作為全球知名的半導(dǎo)體公司，其發(fā)布的USB4端到端完整解決方案備受關(guān)注。本次演講詳細(xì)的介紹了英飛凌USB4端到端完整解決方案的各個方面，并提供了采用PMG1-S3和CCG7-SC打造而成的USB-C 擴展塢參考板。以及一款新推出的第二代E-Marker芯片CMG2，采用9-CSP封裝工藝，待機功耗低至1.7mA，支持USB4、TBT4、PD3.1 EPR（48V），VCONN和CC引腳54V的耐壓。隨著USB4接口的普及，該方案可以在多個領(lǐng)域中的產(chǎn)品上應(yīng)用。
英飛凌的端到端解決方案可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和大容量存儲設(shè)備的無縫連接，支持多通道數(shù)據(jù)傳輸，可以同時傳輸多個數(shù)據(jù)流，適用于需要多路數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景。其E-Marker芯片CMG2芯片擁有可靠性高，兼容性強等特點，適合廣大廠商的應(yīng)用，幫助客戶節(jié)省成本，并縮短上市時間。未來，隨著USB4技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的不斷擴大，英飛凌USB4端到端的解決方案將會受到更多的廠商關(guān)注。
前一些聯(lián)想YOGA系列的筆記本為了節(jié)省空間，使用了一種既可以插 3 USB設(shè)備，也可以插適配器的異型接口。
那么這種接口就需要既能輸出5vUSB供電，還要可以輸入20v的適配器電壓，但是由于設(shè)計的缺陷，極其容易將20v供電引到5vusb供電上，輕則導(dǎo)致適配器不能供電，usb設(shè)備不能使用，重則會導(dǎo)致燒掉CPU。
我們就以一個板號為NM-A411的主板來分析一下為什么會導(dǎo)致這樣的情況？
首先，打開鑫智造，找到適配器接口的電路圖。
可以看到是通過三個MOS管將適配器電壓導(dǎo)入或?qū)sb電壓放出，我們再仔細(xì)觀察接口，發(fā)現(xiàn)和普通的USB接口相比，多了一個信號——USB_ID。
可以看到，適配器與接口上也多了兩個針腳。而主板就是通過這個針腳來判斷插入的到底是適配器還是USB設(shè)備。
根據(jù)電路圖分析，當(dāng)USB_ID為高時，將會將導(dǎo)通PQ13與PQ11，同時拉低USB_ID_N給到EC。
EC收到低電平的USB_ID_N就會拉低DCIN_USB_EN，來隔斷USB電壓。
通過實際測量也可以得知，插入適配器時,USB_ID為3.3V。
從電路分析上感覺沒什么問題，但是一旦出現(xiàn)接口彈片接觸不良等別的情況，主板就會將20v適配器電壓倒到5vUSB供電上。導(dǎo)致5Vusb供電轉(zhuǎn)換芯片燒毀。
而此芯片的USB_OC_N1信號又給到了CPU，就有可能會導(dǎo)致燒掉CPU。
皮的女兒似乎有著無窮無盡的精力，這不，她又拿著一個小鐵片，學(xué)我插U盤的樣子，一邊不停地折磨著我筆記本可憐的USB口，一邊流著口水憨笑著。我被她的呆萌的樣子逗笑了，多么簡單而純粹的快樂！老婆卻沖過來，急匆匆的抱走了她，將她安頓到了一個“安全的”角落。這才過來興師問罪：“你不但不幫忙帶娃，看見她玩電不阻止還笑，有你這種爸爸嗎！”作為一個資深宅男兼科普愛好者，這種侮辱不能忍：“USB口只有5V電壓，科學(xué)證明低于19V的對身體沒有影響。而且USB 3.0最大才900mA的電流，沒事。”一連串的數(shù)字似乎很有說服力，老婆張了張嘴，欲言又止。不一會，表情從怒其不爭換成了關(guān)心體貼：“你新買的電腦，弄短路燒掉了就不好了，我是關(guān)心你。”我機智地脫離了戰(zhàn)場，多年的斗爭經(jīng)驗保護了我，沒有杠精附體，自尋死路。但一個聲音始終回蕩在腦子里：“可惜不會，USB有Over-Current保護！”
很難想象一個沒有USB接口的電腦會有消費者購買，盡管我們擁有大量USB設(shè)備，但似乎大多數(shù)人都不知道所有USB口都有過流保護，完全不必?fù)?dān)心短路會燒掉主板。在古老的USB 2.0 Spec中就描述了USB Host和HUB必須具有OC（過流，Over-Current）保護：
Over-current Protection The host and all self-powered hubs must implement over-current protection for safety reasons, and the hub must have a way to detect the over-current condition and report it to the USB software.
沒有OC保護的USB口是不合格的，但標(biāo)準(zhǔn)語焉不詳?shù)摹?strong>have a way”究竟是什么way，還是讓人想一探究竟。今天我們就從占市場主流的Intel方案來看看過流保護是怎么做到的，再了解一下令人不安的著名USB Killer是如何擊穿這層保護的。
USB 2.0的接口有好多種，但無論形狀怎么樣，核心的連線無非是一對差分信號D+/D-，和一對電源線VBUS和地線：
如果不加保護，直接短接VBUS和地線必然會產(chǎn)生大電流而燒掉接口甚至USB控制芯片。同時USB口暴露在外，也要防止靜電放電(ESD，Electrostatic Discharge)產(chǎn)生的瞬時大電流擊穿晶體管，這就要求所有USB主設(shè)備（Host）和HUB必須帶有過流保護。這種要求被寫入了USB 2.0 Spec，從而所有主流USB主設(shè)備（如主板）都帶有這種保護。但標(biāo)準(zhǔn)只定義了要求，卻沒有規(guī)定具體的實現(xiàn)方式，大家實現(xiàn)起來也千差萬別。我們一起來看看Intel開源硬件Minnowboard是怎么做的，它的方案也廣泛應(yīng)用在幾乎所有臺式機、筆記本和服務(wù)器上。
Intel的南橋PCH或者和其類似的South Complex中集成了USB控制器。其中無論USB 2.0和3.0控制器，每個port都有一個單獨的引腳，叫做OC#。Minnow的原理圖是開源的，我們看看這個OC# Pin是怎么連接的：
Minnow的Baytrail只有兩個USB控制器，只有兩個OC# Pin：USB_OC_00和USB_OC_11，電路圖它們名字上面的橫線表示OC引腳是低有效的。OC引腳為低電平時，意味著告訴USB控制器，有什么東西讓USB電流過載了。OC信號分別從SOC_USB_HOST_OC0和SOC_USB_HOST_OC1連接過來。以SOC_USB_HOST_OC0為例，它又在哪里呢？
它從一個叫做AP2172MPG的芯片上引出。這個芯片IN連著VBUS，OUT連著USB Vcc，是不是猜出什么了？是的，這個芯片就是個過流保護芯片，而且是雙路的，芯片spec很容易找到 ：
可以看到它不但是保護過流，還有高溫保護和防靜電保護。這種芯片是雙路保護，一個能保護兩路USB port，而minnow也剛好只有兩路，好方便！對大多數(shù)臺式機，因為USB port很多，另一種TI的過流保護芯片應(yīng)用的更加廣泛。
從電路圖中可以看出，如果發(fā)生短路等情況導(dǎo)致過流，該芯片會掐斷USB的VBUS電源，保證電路不會損壞，并通過OC引腳通知USB控制器發(fā)生了過流情況。這時候，USB port電力自動被切斷，只有等OC不再發(fā)生才會恢復(fù)通路。但用戶怎么知道發(fā)生了過流，以及哪個USB port發(fā)生了過流呢？這就要靠BIOS和操作系統(tǒng)驅(qū)動來幫忙了。
BIOS主要負(fù)責(zé)兩件事：
1：現(xiàn)代PCH USB OC引腳一般有8個。但因為PCH管腳緊張，這8個引腳往往不得不和GPIO引腳復(fù)用（MUX）。BIOS要根據(jù)實際主板情況，將連出來的OC引腳設(shè)置成Native，而不是GPIO。
2：這8個引腳，具體對應(yīng)哪個port，是主板電路連接決定的。BIOS需要根據(jù)實際情況，設(shè)置OCPinMapping來正確映射這種關(guān)系，讓正確的USB port得到通知。
而操作系統(tǒng)里面的USB驅(qū)動會檢查USB port的控制寄存器，得到哪個port發(fā)生過流，并通過dmsg或者彈窗，警告用戶，讓用戶解決過流問題。
從前面的文字，大家一定決定歲月靜好，高枕無憂了。不知道大家聽說過一個叫做USB Killer的東西，插上它，很大幾率大家的主板都要立刻返修。美國有個好事者學(xué)生，用它搞壞了學(xué)校的電腦，被判10年監(jiān)禁和5.8萬美金的罰款 。那么，USB Killer是如何繞過過流保護，做到損害電腦主板的呢？
前面的過流保護有個前提條件，可以說是防君子不防小人的。不知道大家注意沒有，被保護的只有VBUS，沒有保護數(shù)據(jù)信號D+/D-。What if攻擊的是數(shù)據(jù)信號呢？USB Killer恰恰就是這么干的，這貨里面是這樣：
長包的USB Killer
這些腫瘤般的小包是電容。USB Killer利用VBUS為它們充電到200V，然后反向?qū)⑺鼈冡尫旁跀?shù)據(jù)信號上，瞬間擊穿了PCH南橋芯片，造成永久的損壞。
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USB口短路并不會燒掉大家的主板，大家盡可放心，只要移除短路，有些主板該USB口可以立刻恢復(fù)正常，而有些主板則需要重新啟動一下。USB Killer雖然可怕，單最新的USB Type C已經(jīng)加入對信號線的保護，相信過不了多久 USB Killer的威脅也會越來越小了。