專用連接器提供汽車相容的 USB-C 連接性

通用序列匯流排 (USB) Type-C 連接器已通過標準化，並可簡化大眾消費性裝置之間的連接。汽車系統設計人員也可以享受 USB-C 的優勢，用來提供高速、非安全相關的功能，例如資訊娛樂系統。然而，針對消費性應用設計的 USB-C 連接器，並不具備汽車環境所需的堅固性、可靠性與安全特性。

本文將簡單介紹 USB-C 以及設計人員要將 USB-C 整合到汽車設計時會面臨的挑戰。接著會介紹 Hirose 的 USB-C 連接器，設計人員可用來因應這些挑戰。

USB 的演進

從基本的 Type-A 型式開始，USB 已在消費性、測試儀器，甚至工業應用中取代許多傳統匯流排，如平行埠和 RS-232。這是因為具有即插即用的使用簡便性、低成本、小巧尺寸、快速簡單的插拔操作，更可同時處理電力和數位訊號，並具有眾多廠商的支援。加強版 USB-C 版本帶來更小的實體尺寸、更快的速度、更高的電力處理能力，以及可反插的接頭。

USB-C 已經相當成功，因此已規定用於所有新款智慧型手機和小型消費性裝置，這也造就極大的數量，且裝置間互通性也有所增強。標準 USB-C 尺寸為 8.4 mm × 2.6 mm，具有 24 個針腳。主體與針腳對稱 (可反插)；無需機械式上／下鍵控。也可同時進行數據傳輸和充電。其擴充功能可支援 DisplayPort Alt 模式以及 HDMI 轉接器和橋接器，可傳輸音訊和視訊數據。

這些功能對汽車娛樂系統的設計人員來說相當有益。相較於其他連接選項，USB-C 更具有成本降低、便利性提升與重量減輕的潛力，更享有既有 USB 資源的廣大生態系統支援。

雖然 USB-C 在汽車應用中具有前景，但設計人員必須面對劇烈振動與溫度波動、高電磁干擾 (EMI)，以及 USB 纜線和接頭不匹配而可能導致的危險故障情況。

在汽車中引進 USB-C

為了因應適用連接器的需求，Hirose 推出符合汽車環境獨特要求的 AU1 系列 USB-C 連接器。此系列連接器可當作內部與外部裝置間的連接橋樑，可支援 USB 3.2 Gen2、DisplayPort 1.4 及 HDMI 等標準。以現有的 Hirose CX 系列為基礎打造，因此可順利搭配運作 (圖 1)。

圖 1：AU1 系列的汽車相容 USB-C 連接器 (下) 以 CX 系列 (上) 為建構基礎。(圖片來源：Hirose)

此創新組合可促成 20 Gbps 的高速數據傳輸 (USB 3.2 Gen 2×2)、240 W 的功率位準 (USB Power Delivery 3.1 延伸電力範圍 (48 V、5 A))，並可在整個車用資訊娛樂系統中達到可靠的連接性，並且支援進階功能和無縫系統整合。

AU1 系列連接器提供穩固的配接、抗振動和耐熱效能，並可在嚴苛環境中展現可靠效能。也因如此，此系列能讓此受歡迎的連接器類型，運用在比原先設計環境更為嚴苛的條件下使用。

本系列的連接器組件可支援直式和直角方向 (圖 2)。因此設計人員能在受限的狹窄汽車環境中靈活地進行佈線。

圖 2：AU1 系列連接器可支援直式和直角配置；展示板可顯示連接器的使用情況。(圖片來源：Hirose)

確保穩固、準確且正確的配接

這些連接器具有獨特特性，包括連接器定位保證 (CPA) 單元和鍵控設計。CPA 單元可支援穩固且精確的配接。其指壓式閂鎖 (圖 3) 可提供穩固的機械配對，並可發出定位聲，以便使用者確認閂鎖動作是否完成。

圖 3：CPA 單元可確保配接連接器完全接合，然後鎖定並固定到位，直到刻意解除連接為止。(圖片來源：Hirose)

在操作上，在配接完成前，CPA 單元都無法移動。插頭完全插入後，插座會將 CPA 單元向下壓，使其移至鎖定位置，表示已如預期接合。若要解除配接，使用者需拉動 CPA 單元以鬆開第二道鎖；鬆開時可感受到作動感。

如果發生任何軸向或徑向錯位，兩個半部將無法接合，藉此提醒使用者配接不正確。這些連接器的額定壽命超過 10,000 次插拔，遠超過汽車環境中任何預期的使用需求。

鍵控有助於避免將錯誤的纜線與目標配接的半部配對。如前所述，消費性 USB-C 纜線有個便利特性就是可反插。這表示沒有鍵控，也沒有實體方法可以識別插頭哪一端對應哪一個插座。在消費性應用中，「只要抓起一條線」即可插拔，沒有鍵控是一大優點。然而，在汽車應用中，更多時候是「插上就不再更動」，而且在安裝密集的汽車線束時，會有接線錯誤的風險。在這些情況下，接錯可能會導致連結無法運作而感到挫折，並可能導致週邊裝置受損，並對系統和使用者構成潛在危害。

為避免接線錯誤，AU1 系列汽車級 USB-C 連接器可支援兩種類型的實體干擾鍵碼：標準鍵碼 (黑色) 及「A 鍵」鍵碼 (灰色/自然色) (圖 4)。這兩種關鍵配置有助於確保在兩條纜線和兩個連接器相鄰的情況下，實際上不可能出現錯誤配對。顏色差異也有助於識別這兩個鍵碼。

圖 4：使用者可以使用兩種機械鍵控配置之一，以將纜線連接錯誤降至最低；採用標準鍵控的連接器為黑色，而具有「A 鍵」的則為灰色 (公端)／自然色 (母端)。(圖片來源：Hirose)

相關標準與電氣效能

Hirose 這些連接器的數字可指出其環境與電氣效能。在環境層面，可在 -40°C 至 +105°C 的溫度範圍內工作。此外，更具備防水、防塵效能，依連接器類型而定，具有 IP54、IP68 或 IP69K 等級。IP69K 是三者中對灰塵和水的侵入防護最嚴格的等級。

這些連接器符合美國汽車研究委員會的 (USCAR)-2 和 USCAR-30 標準，以確保可靠性。USCAR-2 是汽車電氣連接器系統的效能標準，針對低電壓道路車輛應用中的端子、連接器及元件制訂要求。USCAR-30 是一套車用 USB 連接系統的效能規範，涵蓋了車輛中消費性周邊設備與 USB 電腦來源之間 USB 連接器、纜線及電氣連接的要求。

在電氣層面，其電源針腳 (A4/A9/B4/B9 (VBUS)) 根據 USB-C 規範的額定值 1.25 A，而非電源針腳的額定值為 0.25 A，皆在 20 V_AC 及 V_DC 下。初始接觸電阻最大為 40 mΩ，經過標準定義的一系列壓力測試後，電阻略微上升，但不超過 50 mΩ。

指定與組裝 AU1 連接器

一個簡單的連接器，例如標準型消費性 AC 線路插頭，在大多數情況下都是完整且可直接使用的，無需使用者指定元件。然而，像 AU1 連接器這樣複雜的互連組件，是由許多個別零件組成 (圖 5)。設計人員可以客製化訂購部分零件，以配合應用要求。

圖 5：AU1 連接器完整組件的零件包括：1) USB-C 插頭；2) 電路板；3) 電線固定器；4) 纜線；5) 屏蔽層 1；6) 屏蔽層 2；7) 內模；8) 外模；9) 外殼與 CPA；及 10) 固定器。(圖片來源：Hirose)

圖 6 顯示出使用者可以指定的一些元件。包括 (上排，從左到右)：

• AU1MS-24S-SLDA(805) 連接器屏蔽層
• AU1MS-24RS(805) 連接器固定器
• AU1MS-24S-HU/C(805) 閂鎖外殼與 CPA 單元用於黑色標準鍵控的插頭 (或 AU1MSA-24S-HU/C(805) 閂鎖外殼與 CPA 單元帶灰色 A 鍵)，以及固定器、屏蔽殼和插頭單元
• CX60-24S1-UNIT 跨裝式插頭連接器內部單元，也可當作獨立品項，適合需要額外插頭單元的設計人員使用

插頭只是連接器的一半，還必須有配合的插座。針對 Hirose USB-C 連接器，設計人員可以在這兩個款式之間挑選 (圖 6 底排，從左至右)：

• AU1FS-24P(805) 通孔直式 USB-C 插座連接器，可固定在印刷電路板 (PCB) 上
• AU1FRA-24P(805) 直角插座連接器

圖6：使用者可指定的一些連接器元件包括 (上排，從左到右) AU1MS-24S-SLDA(805) 連接器屏蔽、AU1MS-24RS(805) 連接器固定器、AU1MS-24S-HU/C(805) 閂鎖外殼與 CPA 用於黑色標準鍵控的插頭、 以及 CX60-24S1-UNIT 跨裝式插頭連接器；插座選項包括 (下排，從左到右) AU1FS-24P(805) 通孔直式 USB-C 插座和 AU1FRA-24P(805) 直角插座。(圖片來源：Hirose)

結論

USB-C 連接器在可用性、速度及電力處理方面提供理想的效能特性。然而，基本的消費性導向連接器在機械結構上並不適合汽車設計。AU1 系列連接器以 Hirose 既有的 CX 系列為基礎，打造出適合汽車應用的堅固高效能 Type-C 連接器，且符合相關產業規範與標準。