USB 3.0對(duì)USB規(guī)范的改進(jìn)主要有如下兩點(diǎn)：

在兼容原有接插件的空間內(nèi)新增了兩對(duì)雙絞線(xiàn)，使之成為雙總線(xiàn)共存的結(jié)構(gòu)。新增的總線(xiàn)支持雙向同時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5Gbps。

電源傳輸能力提升至900mA，比原來(lái)的500mA提升了80%。

高速數(shù)據(jù)傳輸能力為需要傳輸大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用帶來(lái)了助力，諸如移動(dòng)硬盤(pán)之類(lèi)的應(yīng)用成為最初的受益者，但是900mA的電流傳輸能力卻仍然是一個(gè)短板。

在那個(gè)時(shí)期，手機(jī)已經(jīng)廣泛普及，但是它們所使用的接口卻是由各個(gè)廠家自己定義的，這種自行定義的接口既包括數(shù)據(jù)接口也包括電源接口，這種狀況所帶來(lái)的影響就是所有的手機(jī)配件都沒(méi)有通用性。直至今天，我家里仍能找到各種手機(jī)留下來(lái)的充電器、數(shù)據(jù)線(xiàn)和耳機(jī)，它們互不兼容，看著就覺(jué)得可惜，但在那時(shí)候卻毫無(wú)辦法，要想把標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一到某一種規(guī)格上是會(huì)涉及到巨大的利益問(wèn)題的，沒(méi)有廠家愿意從自己身上開(kāi)始改變。

像這種涉及標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，如果沒(méi)有國(guó)家的強(qiáng)行介入是不可能成功的，而中國(guó)在這個(gè)問(wèn)題上成了一個(gè)先行者，但其介入的深度也是有限的，它把目標(biāo)定在了統(tǒng)一充電器的接口規(guī)格上，這就是今天被廣泛使用的USB A型接口的充電器的來(lái)歷。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的充電器使用USB A型接口，其電壓仍為5V，但電流供應(yīng)能力為1.5A，這可以滿(mǎn)足那個(gè)時(shí)期的所有手機(jī)的需要。為了和普通的USB接口的500mA/900mA區(qū)別開(kāi)來(lái)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的充電器將對(duì)應(yīng)USB總線(xiàn)的D+/D-兩個(gè)端子短接在一起，需要充電的USB設(shè)備只要檢測(cè)到D+/D-是短路的，它就可以放心地從中獲取最大1.5A的電流。如何與這樣的充電器相配，USB BC1.2規(guī)范中有詳細(xì)的說(shuō)明，這也算是USB-IF對(duì)市場(chǎng)的一種主動(dòng)適應(yīng)吧。

5V，1.5A，算下來(lái)就是7.5W的功率，對(duì)于普通的手機(jī)來(lái)說(shuō)這是夠用的，但對(duì)其他設(shè)備來(lái)說(shuō)就不行了。我正在用的筆記本電腦，它的電源供應(yīng)器的輸出能力是19.5V/3.34A，為65W，是7.5W的8.666…倍，如果我想通過(guò)USB總線(xiàn)來(lái)為我的電腦供電，那就勢(shì)必要提升USB的供電能力才行，而USB PD就是為此而做的努力。

我手里有一份USB-IF 在2012年做的推廣USB PD1.0的PPT文件，從中就可以看出來(lái)它為自己制定的目標(biāo)：

它想用一個(gè)偉大的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)一個(gè)偉大的目標(biāo)，讓一切都更美好起來(lái)，使你的體驗(yàn)更好。例如，你可以這樣配置系統(tǒng)：

也可以這樣：

在這樣做的情況下，你的所有的設(shè)備和線(xiàn)纜還都是和原有的USB規(guī)范兼容的，而你需要的電源適配器卻只有一個(gè)。要實(shí)現(xiàn)這樣的兼容，如果不增加新的手段，其實(shí)就只有一個(gè)地方可以下手，那就是在VBUS/GND上做文章。

要想在一對(duì)線(xiàn)上傳輸不同的電壓、電流，還要能使任意兩臺(tái)連接在一起的設(shè)備都能夠做到這一點(diǎn)，這樣的做法就是必須的：剛開(kāi)始連接在一起的時(shí)候，VBUS處在某一個(gè)初始狀態(tài)下，為了和傳統(tǒng)兼容，這個(gè)初始狀態(tài)很顯然必須是5V的；5V下的雙方互相進(jìn)行溝通，供方通知需方自己的供應(yīng)能力，需方對(duì)此進(jìn)行判斷看看是否有符合自己需求的，從中選出自己要的通知對(duì)方或是告訴對(duì)方自己的需求得不到滿(mǎn)足，或者是反過(guò)來(lái)由需方首先提出自己的需求再由供方看看自己是否能滿(mǎn)足然后再通知對(duì)方自己能否提供；在上述溝通的基礎(chǔ)上建立協(xié)議，開(kāi)始以新的狀態(tài)工作或是退出嘗試過(guò)程。

所以，凡是能夠滿(mǎn)足USB PD想法的系統(tǒng)，一定是具有自適應(yīng)能力的系統(tǒng)，一定是有通訊能力的系統(tǒng)。

通訊過(guò)程自然是可以通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行的，可這必然讓單純的電源系統(tǒng)變得很復(fù)雜，其實(shí)現(xiàn)和成本都是問(wèn)題。為了不讓這種狀況發(fā)生，在VBUS上傳遞數(shù)據(jù)就是自然的選擇。

在電源線(xiàn)上傳數(shù)據(jù)，我們很容易想到的做法就是電力載波通訊，而USB PD 1.0的做法也正是如此，它采用了兩種不同的頻率來(lái)分別表達(dá)兩種不同狀態(tài)，借此傳遞數(shù)據(jù)信息。這樣一來(lái)，通過(guò)VBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB PD系統(tǒng)就是這樣的：

從上圖可以看到，數(shù)據(jù)發(fā)送端TX出來(lái)的信息經(jīng)過(guò)電容耦合到VBUS上進(jìn)行傳輸，到了接收端以后再經(jīng)電容耦合后由RX進(jìn)行接收。為了避免高頻信號(hào)被低阻抗的電源電路吸收掉，收發(fā)兩側(cè)都需要在VBUS線(xiàn)路上加入隔離電感。

在數(shù)據(jù)發(fā)送端，經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行4b5b編碼以后送入FSK調(diào)制器對(duì)額定值為23.2MHz的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制偏差為500kHz。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)在通過(guò)帶通濾波器以后就可以送入VBUS進(jìn)行傳輸了。實(shí)現(xiàn)這些功能的發(fā)送端功能框圖如下圖所示：

而接收端的構(gòu)成則是與此相逆的過(guò)程：

在上圖中，SOP所代表的意思是Start of Package，是一個(gè)數(shù)據(jù)包的開(kāi)始部分，它們可以被理解為地址的代表，因?yàn)榻邮斩酥挥性谑盏絺鬟f給自己的數(shù)據(jù)時(shí)才有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，其他的信息都需要被忽略掉，即使你不忽略它也沒(méi)有意義，因?yàn)槟遣皇呛湍阒g的對(duì)話(huà)。

上面還提到了一個(gè)被稱(chēng)為4b5b的編碼，據(jù)說(shuō)這是在上世紀(jì)80年代才被一家美國(guó)公司發(fā)明的編碼方法。4b代表原始數(shù)據(jù)是4位的，5b代表輸出數(shù)據(jù)是5位的。每位數(shù)據(jù)只有0和1兩種狀態(tài)，4b就有16種可能的組合，5b則有32種可能的組合。所以，在4b5b編碼中，每一個(gè)輸入可以得到兩種輸出，這兩種輸出是互為補(bǔ)充的，到底要選擇哪一個(gè)呢？這取決于前一組編碼的結(jié)果。如果前一組輸出的1比較多，這一組就會(huì)選擇0比較多的輸出，反之亦然。這樣的做法會(huì)帶來(lái)一個(gè)結(jié)果，最后輸出中呈現(xiàn)的0和1的數(shù)量是均等的。從硬件的角度來(lái)看，我們可以由此推測(cè)出一個(gè)結(jié)果，輸出耦合用的電容上將不會(huì)有直流成分存在，不知道你是否意識(shí)到了這一點(diǎn)？

要在電源系統(tǒng)中融入二十多MHz的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，這對(duì)于很多做電源的人來(lái)講其實(shí)是一個(gè)蠻大的挑戰(zhàn)，畢竟這種高頻小信號(hào)的處理是很多人所不擅長(zhǎng)的。另外，在電源傳輸線(xiàn)上串入電感作為高頻隔離元件，這實(shí)在不是一個(gè)好的做法。試想一下，假如一個(gè)3A的電流正在流過(guò)USB電纜，我在此時(shí)突然將負(fù)載端拔掉，電感（1μH）中的儲(chǔ)能將會(huì)如何釋放？這可正是我們做電源管理的人最怕的東西啊。所以，雖然今天的USB PD1.2中仍然列入了這種實(shí)現(xiàn)方法，我們能在市場(chǎng)上看到的實(shí)現(xiàn)仍然是稀少的，至少我是沒(méi)有看到過(guò)，不知道讀者你見(jiàn)過(guò)沒(méi)有？

所以，對(duì)于USB-IF來(lái)說(shuō)，通過(guò)VBUS進(jìn)行載波通訊的USB PD實(shí)際上可以被認(rèn)為是一次失敗的嘗試，這種狀況要到USB Type-C接口被引入以后才會(huì)真正得到改變。