【Maker該知道】你的作品需要何種USB供電規格?

作者:陸向陽

老實說,USB 供電標準並不是一個新東西,而是一個長時間發展歷程,筆者會突然想寫這篇,主要在於創客的各種開發板多是用 Micro-USB 埠供電,而新發表的第四代樹莓派是使用 USB Type-C 埠供電,然而有時候創客並不全然清楚這些傳輸埠的供電「能耐」,亦即到底能給出多少的電壓/電流?能否給我的系統板、開發板有足夠的電力運作?因此或許透過一篇專文進行觀察討論,有助於後續的一些開發規劃。

USB供電規格演進

USB供電規格簡要整理(圖片來源:陸向陽提供)

USB 打從 1996 年的 1.0 版就帶有供電能力,電壓輸出穩定在 5V,最大輸出電流可達 100mA 或 500mA,500mA 是指電力來自於桌上型電腦,或是有接變壓器(電源配接器)的 USB Hub(集線器上),否則為 100mA。

100mA 連接鍵盤、滑鼠等簡單週邊裝置還可行,但要驅動外接硬碟、印表機則有困難,必須以 500mA 供電才行,甚至 500mA 也是不夠,需要裝置自行從他處取得電力。由於 USB 供電實在太便利,後續許多外接線技術也紛紛仿效,在其標準中增訂供電能力,如 Thunderbolt、Ethernet 等。

2000 年 USB 2.0 標準頒佈,除了提升傳輸率外供電方面並未改變。2008 年 USB 3.0 出爐,電壓維持為 5V,但電流改成刻度式供電,以 150mA 為 1 個刻度,最高可以有 6 個刻度,如此最高有 150 x 6 = 900mA。更之後 2017 年 USB 3.2 Gen 2 x2 標準中每 1 刻度單位為 250mA,如此 x6 = 1.5A。

在發展 USB 3.0 的前後時間,USB 標準的制訂機構 USB-IF 也提出 USB 充電標準,稱為 USB Battery Charging,簡稱 USB BC,主要是因應愈來愈多手持、行動電子產品採用 USB 充電。USB BC 於 2007 年推出 1.0 首版;而後於 2009 年再推出 1.1 版,1.1 版的電壓維持 5V 但電流放寬到 1.5A;2010 年推出的 1.2 版亦維持 5V、最大 1.5A。

到了 2012 年 USB-IF 提出新的供電標準稱為 USB Power Delivery,簡稱 USB PD,此標準取代並相容原有的 USB BC,提供更寬裕的供電。USB PD 1.0 提供 5/12/20V 電壓以及 1.0/2.0/3.0/5.0A 電流,如此最低可供電 10W(5V x 2A),最高 100W(20V x 5A)。之後 2014 年提出 USB PD 2.0,將電壓分成 4 類:5/9/15/20V,電流則為 3A 或 5A,另也允許於 0.1A~3A 間。

USB PD 1.0版的供電型態與電壓、電流對應(圖片來源:陸向陽提供)

USB PD 2.0/3.0版的供電型態與電壓、電流對應(圖片來源:陸向陽提供)

雖然標準訂立到極限可至 100W,但不是所有 USB 線路均可以承受如此高的電力傳輸,因此 USB PD 2.0 規定若使用 Micro-USB 接頭最高只能傳輸 3A 電流,加上 20V 電壓,最高可傳輸 60W 電能。

如果是 USB Type A/B/C 接頭,雖允許最高達 20V、5A 傳輸,但必須是主動式的線路才行,或稱為具有 E-Marker 晶片的線路。USB PD 在 2.0 版後於 2017 年推出 3.0 版,但最高電壓、電流等設定並未改變。

附帶一提的是,USB Type-C 另有一套別於原有 USB 主軸線路與 USB BC/PD 線路的供電走法,USB Type-C 也是 5V,電流預設 1.5A 但最高可提升至 3A,如此能有 15W 供電。USB Type-C 也可走 USB PD 標準,一樣達最高 60W、100W 供電。

樹莓派用電需求演進

以上為簡單的供電規格說明,事實上細部而言還有諸多供電特性,例如接入的裝置偵測,受充物的電池處於低電壓時、高電壓時的供電特性對應切換等,在此暫略。

在透過上述快速的規格回顧後,會發現 USB 供電標準很紊亂,一種是以正規 USB 標準(多是指傳輸率標準)軸線發展而隨附的供電規格制訂,如 USB 1.0、USB 3.0;一種是針對 USB 埠供電、充電應用的訂立,此包含充電、充電時的偵測協定,如 USB BC、USB PD;再一種是隨連接器型貌改變而訂立,如 USB Type-C。

USB類型眾多,供電標準也很混亂(Source

如果是以創客開發板常用的 Micro-USB 接頭而言,搭配 USB PD 協定,其實最高可以達 60W 供電,但如果是不使用 USB PD 協定,以 2.5W~7.5W 電力,確實逐漸難以支應朝高階化發展的樹莓派用電。

以規格相對較高(與 Model A、Pi Zero 相比)的 Model B 樹莓派為例,一開始只有 1W~3.5W 的用電,後來第二代可以到 4.1W,第三代增長至 6.7W,6.7W 是已經讓樹莓派接上桌上型監視器(監視器須另外插電)、滑鼠、鍵盤,同時 Wi-Fi 無線功能也開啟的情況下。

如果樹莓派再外接其他用電裝置,如 USB 隨身碟,或用 GPIO 接腳驅動 LED 燈號等,可能電力就會逼近標準規範的 7.5W。因此第四代樹莓派改用 USB Type-C 連接器供電,將供電上限往上提高至 15W。

目前除了樹莓派因為持續高階發展需要更大的電力外,一般的創客開發板仍只要少許電力就能運作,依然可以用已高度普遍的 Micro-USB(因為 Android 手機興起)。

第四代樹莓派支援USB Type C供電埠(左下角)(Source

不過筆者推測也有兩類產品會在近期(2 年內)轉向 USB Type-C,一是 RPi Alternative 系統板。

推廣 RPi Alternative 系統板的業者向來用更高規格招攬原樹莓派用戶轉向,更高規格意味著更多的用電,因此比照 RPi 4 改用 USB Type-C 的可能性也大增。

另一是本來就鎖定物聯網閘道器(IoT Gateway)應用的開發板,這類開發板的規格高、用電多,也可能較先轉向改用 USB Type-C。

(責任編輯:楊子嫻)

 

陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。
陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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