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USB 3.0高速介面導入設計之限制與開發瓶頸

雖然距離USB 3.0版介面全面導入3C、IT應用還有一段時間,而一般市場分析均預期至少要等到2009年底才有PC、筆記型電腦中首波導入設計,而多方評估最快2010年在相關週邊、硬體才會出現顯著的導入趨勢。對此,面對USB 3.0高速傳輸帶來的設計效益,就現有的應用評估其升級必要性卻顯得較為不足,也可能減緩全面性介面升級的用量與趨勢,而初期相關硬體設計也有其必須面對的設計課題。

本文:

雖然USBIF針對USB 3.0規格提出正式版本,相關控制晶片開發商計畫推出新款控制晶片與相關應用設計,但USB 3.0所提供的高達5Gbit/s的傳輸效能,看起來是1個極具吸引力的升級方案,但光就介面規格提升,真的是3C、IT產品所急迫需要的改進功能?還是目前的相關應用根本還不需要使用這種傳輸效能等級的介面設計?

觀察USB一路自1.0發展至現在最普及的2.0版本,USB介面可以說已攻佔各式3C、 IT產品的介面規格選用,不只是取代資料傳輸介面,即便是目前USB介面規格僅能提供單埠5V/500mA的電源供應,不少電子產品依舊習慣選用目前最多接續條件的USB埠作為充電應用。

身為硬體研發、技術研究的工程師,在面對新功能選用與其實用價值時,也有會不會太早導入USB 3.0高速介面設計的困擾,到底何種應用適合高速介面來解決設計困擾?又有何種非用不可的設計,能支持導入新介面設計的評估論點。

USB 3.0高速傳輸介面導入 仍需針對硬體實際應用觀察

自英特爾2007年9月發布的USB 3.0規格,其預設理想傳輸效能即突破4Gbit/s,USBIF發布的USB 3.0正式電氣規格內容,也提升至約5Gbit/s的高效傳輸支援,觀察USB高速介面的重大規格改變,以傳輸效能為其規格變更重點。而USB 3.0基本上在硬體設計的評估重點,會將新款的介面規格,作為是USB 2.0的升級選項,在評估規格導入時的思考方向,即會以新舊規格取代設計的必要性進行思考,

基本上,在消費性電子應用方面,例如,數位相機、數位攝影機等影音裝置,以USB 2.0介面導入產品設計,已經可為消費者帶來極便利的硬體應用體驗,像是先前提過的資料傳輸、分享、電源供應等多元應用方式,USB 2.0已經算是相對穩定、低成本且實用的介面選擇。而即便是傳輸效能僅1Mbit/s的USB 1.0,至今用於處理如鍵盤、滑鼠等低速外接週邊,其應用方式也為出現介面升級的迫切需求,導入USB 3.0的高速介面迫切性更低。

觀察目前電腦的傳輸應用,如外接硬碟,其基本傳輸需求約10Mbyte/s,而乙太網路約在6Mbyte/s,即便是外接式的DVD光碟機(以4倍速機種為例),其傳輸效能最多也僅需要5MByte/s的資料吞吐,實際的現狀是,目前市面上的USB週邊,能使用到USB 2.0傳輸極速的產品應用,其實應用數量相當有限。

USB 3.0介面電源供應角色吃重 考驗電源控制設計

USB 3.0除了高速化的表現亮眼,其單埠的電源供應能力表現,也令人眼睛為之一亮,USB 3.0規格底定對電力供應需求,已從舊版介面的500mA直接提高至900mA,其電源供應功率提升近1倍。系統工程師雖有針對各新版USB埠更充沛的電源分配條件,但連接埠的安規於安全設計,也必須採較以為更嚴謹的態度面對USB 3.0介面設計,也讓實際導入設計時其電流保護元件選擇出現新的考驗。

相較於USB 2.0舊式介面設計,USB 3.0針對電源供應規範新的電源管理架構,裝置與主機完成初始連接就可使用900mA電流供應,供電電壓要求HUB或主機連接埠需有4.45V電壓供應,且採取USB供電的外部裝置,必須以4V就能正常運作作為設計要點。新的高速介面重新定義連接機制,確保整體設計具更高的電源使用效率。在額定電壓要求方面,USB 3.0與2.0規格大致相同,提升電力需求並放寬壓降設計限制,其餘像是瞬間電流限制、休眠、待機模式的電流限制等均有提出相關限制。

過電流保護為USB 3.0規範要求 PPTC自復性保護元件需求現

以電路電源保護應用目的為主的元件很多,除PPTC技術外,還有溫度保險絲、電流保險絲、溫度保險絲、陶瓷溫度係數(CPTC)、雙金屬斷路器、按鈕雙金屬斷路器...等,其中除電流或溫度保險絲為一次性使用外(因為過電流或是電力異常即燒毀元件),其他技術均為可復式設計,多數同時提供過電流過溫保護,但擁有自恢復能力的則僅有雙金屬斷路器和CPTC、自復性保險絲元件PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient:PPTC)。

CPTC雖然應用相當廣泛,但其元件的電阻值明顯高於PPTC,元件體積較大,不適合用於行動裝置上。此外,CPTC元件焊接在電路板上時,由於元件多採陶瓷封裝包覆,出現故障問題也會導致內部保護機制運作不穩。

目前市面上採PPTC技術的保護元件樣式相當多,多數是將PPTC材料用於保護電路之熱敏電阻元件,以正常工作條件下PPTC維持於低阻抗狀態、出現故障情況時(如過電壓、過熱)PPTC溫度對應升高,保護連接設備或系統本身不被不穩之電源所損壞。PPTC屬於1種可根據溫度、非線性變化的電阻元件,一般狀況下,PPTC元件擁有高的導電能力,碰到過電流狀況時,PPTC元件即產生約100倍的電阻值,加上其運作過程可逆(具備自復性特質),因此可保護裝置電路與元件不受到電壓突波、瞬間電壓、過電流或是逆向偏壓等錯誤連接造成的電氣損壞。

新的USB 3.0介面設計,可嘗試導入PPTC自復性保險絲元件,PPTC技術元件其原理是在不正常電流進入PPTC聚合物導電通道時,聚合物便隨即呈現膨脹狀態,內部的電極會被拉至呈現切斷導電通道的狀況,達到保護電路的目的。當系統恢復正常電流、電壓狀態時,聚合物即自動恢復正常尺寸,其元件內的電極將重新形成導電狀態。而在USB 3.0的書面規範中,亦明確要求設計者需採用限電流元件,針對電源連接端之電路保護措施,前述之PPTC元件則適合作為限電流的解決方案。另新一代過電流保護元件,已具備在50℃高溫維持全載電流而不會出現誤動作,可避免PPTC因為主機溫度影響,而產生非預期之誤動作。

介面傳輸效能瓶頸 多數是系統整體運作機制造成

若要觀察USB 3.0高速介面導入產品設計的必要性,其實逐一檢視目前的產品應用狀況,就能略為理解其必要性,以現有的USB介面傳輸應用觀察,目前市售產品的USB介面使用狀況,大致可以分為低速、全速與高速模式,而USB 3.0新規格則提供超高速模式支援。以低速來說,即鍵盤、滑鼠或是舊式週邊應用,傳輸效能僅需要1.5Mbit/s就能應付所需。全速模式為常見的印表機、掃描器等介面應用,其傳輸速度在12Mbit/s左右,而高速模式則為USB 2.0介面的理論傳輸極限值,為480Mbit/s,但相關應用產品市場仍不多見。

觀察USB介面應用,多數的產品都集中在低速與全速傳輸模式的USB介面應用,USB 3.0追加的5Gbit/s傳輸極速表現,真能讓消費者察覺應用介面的升級效益?或是直接體驗終端產品升級後效能改善差異,才是導入新介面設計的關鍵。

以USB 3.0目前極高速傳輸設計,多數控制晶片業者多著眼於整合SSD固態硬碟,或是Flash讀寫控制晶片為設計目標,此類設計方式多半是以內部傳輸介面應用為主,對於外接產品的升級實質效益,可能在硬體的相關操作方面不容易產生明顯感受。

若以目前USB介面使用最普遍的隨身碟設計為例,一般設計中,USB隨身碟所選用的傳輸介面規格,目前多以USB 2.0為主,系統若要寫入隨身碟儲存空間,需先經過USB介面傳輸、Flash控制晶片接取資料至緩衝區,系統再自緩衝區依序將資料寫入NAND Flash儲存記憶體中。每個透過USB介面傳輸的資料封包都會有3個影響寫入效能的運作瓶頸,例如,執行分配USB介面進行傳輸的工作時間、系統運作時間與NAND Flash的寫入時間,而傳輸效能的瓶頸大多會發生在NAND flash與控制晶片間的資料寫入、分配部份,傳輸效能瓶頸反而不是選用介面的傳輸極限所限,而開發相關應用設計的前提,應該是透過精確的效能分析與評估,再決定導入新介面設計的必要性。

導入設計仍須考量成本因素 消費者是否接受才是關鍵

USB 3.0即便規格再亮眼,會不會也有USB 2.0介面目前仍未大量採用其極速應用的現況,而觀察目前對USB 3.0有大幅動作的晶片業者,大多以取代SATA或是搭配SSD的大容量儲存裝置應用為主,以整合控制晶片的設計為前提,或許這是在這類產品裝置對於傳輸效能的要求較高,所以造成初期導入USB 3.0介面的動作較為積極,但反觀數位相機、攝影機等消費性用品,目前USB 2.0已能應付其使用需求,業者是否會將新介面規格導入產品,與其產品的市場接受度表現,可能都會影響USB 3.0的未來發展。而USB 3.0介面在連接器、傳輸線、控制晶片...各方面的初期進入成本均較高,又有個極為成功的USB 2.0介面規格在前面阻擋,初期在成本與技術難度偏高的現實狀況下,想要以USB 3.0介面的支援作為產品特色,其實質效用較有限。

USB 3.0目前極高速傳輸設計,多數控制晶片業者多著眼於整合SSD固態硬碟,或是Flash讀寫控制晶片為設計目標,此類設計方式多半是以內部傳輸介面應用為主,對於外接產品的升級實質效益,可能在硬體的相關操作方面不容易產生明顯感受。

若以目前USB介面使用最普遍的隨身碟設計為例,一般設計中,USB隨身碟所選用的傳輸介面規格,目前多以USB 2.0為主,系統若要寫入隨身碟儲存空間,需先經過USB介面傳輸、Flash控制晶片接取資料至緩衝區,系統再自緩衝區依序將資料寫入NAND Flash儲存記憶體中。每個透過USB介面傳輸的資料封包都會有3個影響寫入效能的運作瓶頸,例如,執行分配USB介面進行傳輸的工作時間、系統運作時間與NAND Flash的寫入時間,而傳輸效能的瓶頸大多會發生在NAND flash與控制晶片間的資料寫入、分配部份,傳輸效能瓶頸反而不是選用介面的傳輸極限所限,而開發相關應用設計的前提,應該是透過精確的效能分析與評估,再決定導入新介面設計的必要性。