USB纜線在原初設計上僅提供些微電力(2.5瓦),以供鍵盤、滑鼠、USB集線器等低用電產品運作,但隨著愈來愈多移動電子產品在使用USB纜線與電腦傳輸外,也運用USB纜線對移動裝置供電,過往的低供電量逐漸無法滿足要求。
為此USB-IF(USB Implementers Forum)于2007年訂立了USB BC(Battery Charge) 1.0標準,提供了USB的供電電流,使USB纜線用于移動裝置充電時更有充電效率,而后也陸續增修出USB BC 1.1版、1.2版。
USB BC僅滿足移動裝置充電應用,另有一群業者期望USB線路的供電能供條碼讀取器使用,因而訂立出PoweredUSB標準,最高可提供144瓦電能,不過PoweredUSB并未獲USB-IF認可。
USB-IF之后也隨USB 3.0標準的訂立而略提升USB的供電能力,自2.5瓦增至4.5瓦,但依然難滿足大眾需求,致使USB-IF于2012年提出USB PD(Power Delivery)標準,期望以USB PD取代USB BC,以及USB-IF不樂見的PoweredUSB。
USB PD使用標準USB線路最高可攜帶100瓦電力,若用Micro-USB線路則可達60瓦電力,不僅適用于智能型手機,也適用于筆記型電腦、桌上型監視器等的供電。因此DIGITIMES Research推估,USB PD有可能成為全球的家庭直流電源插座的新標準,并侵蝕、影響傳統家庭交流電源插座的價值地位。
逐漸普及的USB電源插座
USB插座愈來愈多
近年來,有智能型手機、平板電腦的人,愈來愈常到處找尋Micro-USB纜線、USB電源配接器(俗稱變壓器,以下以此簡稱),因為他們需要替手機、平板充電,甚至在捷運站提供的充電桌,桌附近的墻面不僅提供一般110V電力插座,也順便提供USB電力插座,想充電者可以省去待USB電源配接器,只需攜帶Micro-USB纜線(若為iDevice則攜帶Lightning纜線)即可充電。另外,也有業者新推行的電源延長線插座,除原有的110V插座外也隨附USB插座,或者已??有建商在施工上也在110V插座隨附USB插座,以及新款汽車也內建USB插座。
手機統一用USB方式充電是自大陸開始,過去手機的充電器不具交換性,每換1款新手機,舊的充電器便一并丟棄,使充電器垃圾堆積如山,因而尋求統一,而2014年3月歐洲議會也以550票比12票通過充電器統一的法規(但未言明是否采行USB/Micro-USB)。
在USB供電、充電愈來愈普及下,若USB插座、纜線只試用于手機、平板2種產品,則限縮其價值,因此USB-IF開始思考強化USB纜線的供電能力,期望擴展USB纜線供電、充電的應用范疇,因而訂立出USB PD標準。
USB PD規格標準早于2012年7月便已完成訂立,但由于支援USB PD標準的纜線,需測試驗證取得PD Aware的認證,因而需時間推展,直至2014年才逐漸展露。 USB PD是否能讓USB供電、充電應用價值擴大?對未來產業甚至終端使用者的沖擊與改變為何? DIGITIMES Research對此進行觀察探討。
標準USB供電設計
在USB PD標準未訂立前,USB自身即有基礎的供電能力。由個人電腦扮演的主控端(host),由于其電力來自電源插座,因此其USB埠可提供最大5V、500mA的電力。
相對的,若個人電腦連接USB集線器(hub),且集線器運作的所有電能均由個人電腦的USB線路所提供,則USB集線器上的每個USB埠,僅能有5V、100mA的供電,其中USB集線器自身消耗約100mA,再把剩余的400mA分配給4個USB埠,典型的USB集線器多為4個USB埠。
不過,若USB集線器自身也透過電壓器取得電源插座的電力,則依然可以給每個USB埠5V、500mA電能,或者因電力的源源不絕,設計者可設計出具有更多USB埠的USB集線器,而非限定在典型的4個埠。
無論如何,USB埠最糟情況下仍有5V、100mA電能可用,在這個最基礎的供電條件下,至少讓剛接入的USB裝置能被電腦識別,而低用電的USB裝置可完全只以5V、100mA電力運作,如USB隨身碟。
但較大電力需求的USB裝置則需要更高電力,如USB外接硬碟,即需要5V、500mA電能,而更早期的USB外接硬碟需要更大的電力,否則無法驅動硬碟的馬達運作,需要額外借用另一個USB埠的電能(權宜變通的截接方式,非正規用法),使電流量超越500mA,甚至自行配備變壓器,自行取用電源插座的電力。類似的,印表機、掃瞄器等大型電子產品,也無法用5V、500mA電能驅動運作,都需要自行準備額外的變壓器。
標準USB集線器供電配分法
針對充電應用訂立的USB BC
5V、100/500mA供電自1996年USB標準推行以來即是如此,但至2007年略有改觀,2007年移動裝置以USB埠充電的需求已開始增加,USB-IF因而訂立出充電需求的規范,稱為USB BC。
USB BC依然使用5V電壓,但將電流量擴增,增至1,800mA,用意明顯在于增強用USB埠充電時的充電效率,以免充了許久時間僅增加些微的電量,甚至在邊充邊用的情境下電量仍持續跌落,失去充電意義。
USB BC立意雖佳,但USB BC的缺點在于僅將USB纜線視為充電用線路,給裝置充電的同時不提供資料傳輸能力,因而有1.1版(2009年)修正,1.1版允許充電的同時進行資訊傳輸,然最大電流量略有下修,降至1,500mA,即便如此仍是傳統USB供電的3倍電能(2.5瓦vs. 7.5瓦)。 2011年BC 1.2版標準出爐,依然維持最大1,500mA電流量,僅針對技術細節進行增修。
值得一提的是,蘋果(Apple)產品雖也能用USB埠進行充電,但僅使用USB埠的物理連接器,相關電氣特性均自行定義,如iPhone使用1,000mA,iPad使用2,100mA等。
不被USB-IF承認的PoweredUSB標準
USB BC雖提供更大充電電流,但USB埠普及性過高,業界對USB埠能提供更大供電力的期望,并非只在電池充電上,也包含一般應用,自1998年起,微軟(Microsoft )、IBM、NCR、Berg(連接器業者,之后由FCI購并)等共同研擬出PoweredUSB標準。
PoweredUSB在電壓、電流上均??有所提升,電壓除原有5V外增加12V、24V(亦有業者采9V、25V),電流增至3,000mA,最高可至6,000mA,整體而言能將供電瓦數增至30、72、144瓦。
業者之所以訂立PoweredUSB主要用于收銀機(POS)、條碼讀取器等應用,因此PoweredUSB有時也稱Retail USB、USB PlusPower或USB +Power。 IBM握有PoweredUSB專利,使用PoweredUSB技術需付費獲取IBM授權,如惠普(HP)、富士通(Fujitsu)均已取得授權。
未獲USB-IF認同的PoweredUSB供電標準
USB 3.0僅些微提升
USB-IF官方提出的USB BC主要用于電池充電,非官方提出的PoweredUSB主要用于收銀機應用,沒有提升標準USB的供電能力,一直至2008年USB 3.0標準登場,方屬真正提升。
USB 3.0依然維持過往的5V電壓,但電流方面提升,過往(USB 1.x/2.0)以100mA為最小單位,允許1~5刻度調節,USB 3.0則以150mA為最小單位,允許1~6刻度的調整,即最低電流量150mA,最高900mA,較過往500mA為高,使最高供電力自2.5瓦增至4.5瓦。 4.5瓦依然是相當小的電力,與PoweredUSB的數十瓦電力無法相比。
USB 1.x/2.0/3.0供電規格比較
USB PD為官方正式解答
有鑒于業界對USB供電需求的呼聲愈來愈高,USB-IF訂立出USB PD標準,將供電能力正式擴展至數十瓦等級,USB PD提出5種新的供電層次,分別為10瓦、18瓦、36瓦、60瓦、100瓦。
其中7.5瓦依然只以5V電壓供電,但10瓦、18瓦開始引入5V外的12V,60瓦與100瓦則再引入20V。且USB PD允許雙向供電,有別于過去的USB必然是主控端對周邊裝置供電,此主要是可攜??式電源崛起之故而有的務實因應。
雖然將供電力擴增至最高100瓦,但仍有纜線的區別,過往長久以來的標準USB纜線可以達最高的100瓦供電,但對于移動裝置常用的Micro-USB,因連接器較小,在物理限制下,最高只能供電60瓦,無法至100瓦。
同樣的,USB-IF新訂立的C型連接器,屬移動用的細小型連接器,一樣無法達最高的100瓦供電,其極限為60瓦。此外,USB PD相容過往的USB?? BC,言下之意USB-IF有意逐漸以USB PD取代USB BC。
此外,非官方的PoweredUSB推估也將逐漸淡出,僅少數應用會持續采行,如高于100~144瓦間的供電應用,且PoweredUSB僅相容至USB 1.x/2.0,不相容USB 3.0,雖然對收銀機的產業性、垂直性應用而言不需要至高速的USB 3.0,但依然有邊緣化的危險,且PoweredUSB的規格停留在2005年的0.8g版,未持續更新,后續發展堪慮。
USB供電能力一旦可達60瓦、100瓦,下一步可能實現的是印表機、掃瞄器、桌上型監視器、乃至筆記型電腦(DIGITIMES Research抽樣,純就變壓器規格而言,常規筆電仍需60瓦以上電能,但可低于100瓦,薄型省電機種可低于60瓦)等,均可改以USB埠供電,此意味著未來換筆電、換印表機等,不用再隨同丟棄變壓器,而是可以沿用,以減少電子垃圾。
更重要的是,全球電力發展因溫室效應逐漸起變化。過往提倡大型、集中發電(如核能、火力發電廠),而后用高壓(透過高壓電塔,電壓愈高,傳輸過程中的電能耗損較小)、交流電傳送至各地,由各地變電所轉換成220V、100V供附近家庭使用,然220V、100V仍過高,家庭內會再以變壓器再次進行降壓,以便使用。
而新的趨勢是,由家庭、社區設置太陽能或風力發電,發出的電力為直流,直流不利遠程輸送(輸送過程中電能損耗大,不經濟),因而就近發電就近用電,未來家庭屋頂的太陽能板發電,電力送入屋內即以USB纜線連接電器,以減少能源轉換的耗損(與110V交流降轉低電壓直流相較,損耗較小)。
USB PD 1.0定義5種供電型態
持續全球化趨勢
最后,USB PD不僅具產業意義,也具若干社會意義,USB PD意味著更進一步的全球化。過往世界各地采行不同的類比電視標準,如NTSC美規、PAL歐規等,連接器方面亦有美國RCA端子、日本S端子等,此均是國家門戶之見的差異,而今正逐漸以OTT、網際網路規格,及HDMI連接器統一。
同樣的,全球各地采行不同頻率、不同電壓、不同連接器的電源插座,這些差異使終端使用者出國必須帶萬用轉接座,變壓器若壞損、遭竊,也只能找原廠重新購置。
USB PD的出現,有機會統一100瓦電力以下的應用。且如前述,USB供電埠已逐漸融入生活,在捷運、新的電源延長線插座、新建案、新車等,未來帶筆電到各國都不再需要帶變壓器,只要帶USB纜線,甚至筆電內建可收縮的USB纜線,大大提升方便性。
USB PD涵蓋過往標準并拓展新供電應用
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