USB Type-C可同時支援數據、影音及電力傳輸(Power Delivery, PD)應用，以及連接器正反面皆可插拔等亮眼特性，已吸引許多電子產品製造商趨之若鶩，相關應用產品也愈來愈普遍。就連蘋果(Apple)在最新一代iPad Pro也首度將自家連接器Lightning替換成USB Type-C接口，為Type-C應用發展再添新動能。
其中，USB Type-C結合USB PD的應用尤其受到市場關注，無論智慧手機或平板電腦充電器，抑或是筆記型電腦電源轉換器(Adapter)，都已開始改用USB Type-C+PD的設計，以滿足裝置輕薄與快速充電等要求。
不過，也由於Type-C可實現的功能相當多樣，加上USB PD規格可支援至100瓦電力傳輸，使得應用產品設計考量變得更加複雜；所幸，隨著高整合、保護及訊號一致性等解決方案大舉出籠，相關開發挑戰已可迎刃而解。
滿足輕薄/高速趨勢 USB規格緊跟潮流
輕薄與高速是現今電子產品很重要的兩個設計目標，因此USB傳輸介面規格也不斷朝此方向演進，如今薄型、可正反插拔的USB Type-C連接器的快速風行，即是最佳印證；至於傳輸速率，亦在近10年間由USB 3.1 Gen1的5Gb/s升級至USB 3.1 Gen2的10Gb/s，而利用雙通道方式達到20Gb/s頻寬的USB 3.2規格，也開始擴大滲透至各種PC和周邊應用。
祥碩科技技術行銷部經理張欽俞表示，人工智慧應用潮流下，處理器運算效能愈來愈強大，促使周邊輸出入(I/O)介面也須跟著升級，朝向更高效能、多工、支援豐富應用、向後相容(Backward Compatible)、容易使用且具發展性等方向演進，以免變成發展瓶頸。
張欽俞進一步指出，USB 3.2是基於先前USB 3.1的實體(PHY)層設計，僅須微幅修改鏈結層(Link Layer)規格，即可快速在Type-C連接器上實現頻寬倍增、效能倍增的USB設計，並相容於既有的USB軟硬體生態系，能在短時間內迎合市場對更高速傳輸性能的需求，包括集線器(Hub)和基座(Dock)、4K8K顯示、儲存及更長傳輸距離等皆為目標應用，祥碩因而已積極投入發展。
USB 3.2由於使用了兩個通道，且可支援USB 3.1 Gen1(5Gb/s)和Gen2(10Gb/s)，因而可以有Gen1x1、Gen1x2、Gen2x1和Gen2x2四種模式。至於USB 3.2的印刷電路板設計是採行目前USB 3.1 Gen2的設計指南，較大的不同是必須注意USB Type-C訊號傳輸通道時序不對稱(Lane-to-lane Skew)以及VBUS電力的要求(須提升到1.5A)。靜電保護(ESD)/電磁干擾(EMI)的設計則與USB 3.1沒有太大的差異。
納入Thunderbolt 3 下一代USB邁向40Gb/s
正當產業界加速擁抱USB 3.2規格的同時，USB開發者論壇(USB-IF)已著手展開下一代新規格的研擬與討論，可望將英特爾(Intel)力推的Thunderbolt 3規格正式納入，讓USB傳輸速率邁向40Gb/s的新里程碑。
英特爾技術行銷經理盧進忠透露，目前該公司已將Thunderbolt 3提議給USB-IF，未來Thunderbolt 3將會成為USB新一代通訊協定的標準規格，達成讓Thunderbolt成為產業標準的目標。初期規格2019年應該可以看到。
盧進忠表示，根據英特爾研究，一輛自駕車每天將產生約4,000GB的資料，要處理這種規模的大數據，就要有相對應的傳輸I/O，這就是為什麼Thunderbolt或USB要一直往更高傳輸率發展。
而Thunderbolt 3是英特爾在2015年發布的(圖1)，係採用USB Type-C連接器，除原生支援USB 3.1(10Gb/s)外，亦支援雙向PCIe和DisplayPort，有4個PCIe Gen3通道，8個DP 1.2通道，傳輸率可高達40Gb/s(2x20Gb/s或1x40Gb/s)，是當今速率最快的傳輸介面技術，相當符合USB未來發展需求，因此英特爾遂將之提案給USB-IF。
資料來源：英特爾
除了傳輸速度一馬當先外，Thunderbolt還有幾個值得注意的技術亮點，首先它是唯一一個可以傳送PCIe訊號的外部匯流排，可以把內部互連的PCIe訊號經由外面的纜線傳送出來，有利於外接顯示卡的應用。其次，Thunderbolt採用菊鏈(Daisy Chain)拓撲，因此可同時串連六組裝置，並確保每個裝置都達到最大的頻寬，這是現今採用星狀拓撲的USB所無法做到的；最後是網路功能，也就是利用Thunderbolt纜線串連兩台電腦，實現在10GbE速度下快速互傳檔案，或建置一個共享儲存的小型工作群組。
另一個在速度、技術之外，Thunderbolt 3納入USB新一代標準所能帶來的好處，則是解決現今日益惡化的USB產品使用體驗問題。
事實上，近來USB 3.1、USB Type-C及USB PD熱度不斷升溫，已將USB應用推至新高峰，然而USB產品雖愈來愈多，但過認證的卻愈來愈少，也讓產品相容問題日益嚴重；近期USB PD應用由於牽涉到大功率電力供應，與產品安全性和可靠性息息相關，更讓這種因產品不相容或未經認證而導致的問題加劇。
盧進忠強調，因為Thunderbolt產品必須通過認證，所以傳輸頻寬、影像、數據和電力等四項功能皆須具備才能取得，因而能確保使用體驗；目前通過Thunderbolt 3認證的PC已超過三百台，裝置則有超過四百台。未來，一旦Thunderbolt成為USB新一代標準，所有能做USB測試的認證實驗室亦能進行Thunderbolt測試，可進一步加速應用的普及。
Type-C/PD設計眉角多保護措施不容輕忽
與過去Type-A或Type-C相比，USB Type-C由於連接器規格變得更小，但定義的接腳數量高達24支，所以實作上要考量的細節更多，若再搭配USB PD電力傳輸功能，則設計挑戰更為棘手。
達爾國際(DIODES INC.)行銷經理劉權德指出，Type-C接口常遇到的問題為靜電放電(ESD)，另外亦可能因插座異常或是電線破損，造成CC或是SBU訊號搭接到VBUS而導致過電壓，可能讓晶片損壞或燒毀。因此，在Type-C與PD設計上，須要搭配使用如電源切換器(Power Switch)、過電壓保護(OVP)晶片、瞬態電壓抑制器(TVS)、二極體、電容等各類元件，加上適當的電路板布局，來達到完整的保護(表1)。
以電源切換器來說，其可提供短路保護(SCP)、過電流保護(OCP)、過電壓保護(OVP)、過溫保護(OTP)和電壓回灌保護(RVP)等功能；劉權德提醒，在電路板空間許可下，可使用稍大一點包裝的電源切換器，溫升情況可獲得較好控制，不會有太熱情形。至於常用的TVS種類則有Zener TVS、iTVS、SCR TVS。針對VBUS保護，可使用高突波(Surge)抑制力的TVS，且VRWM電壓要大於VBUS最大工作電壓；而針對CC/Data接腳保護，則使用低Cj接面電容(Junction Capacitance)，且VRWM電壓要大於I/O口正常工作電壓。另外，OVP晶片則是用在資料傳輸線(Data Line)保護，如CC或SBU路徑上，保護後面的IC免於高壓直流電的破壞，有較高的通道頻寬可走訊號。
德州儀器(TI)資深應用工程師羅至宏也表示，USB應用開發商對電的測試將愈來愈嚴格，因為現在市面上的USB PD產品，有些有認證，有些沒有，品牌大廠為了保護自身商譽，對產品保護機制的設計愈來愈重視，如VBUS短路保護即是近來相當受到關注的課題。
羅至宏進一步說明，Type-C接腳間距只有0.5毫米(mm)，非常窄，且做連接器的廠商眾多，產品開發時有可能公頭、母頭是來自不同廠家，而有公差，加上CC接腳在VBUS旁，所以容易因為不當插拔造成短路。另外，水滴或水氣，或使用不符規範的纜線也會造成短路問題。
要解決Type-C VBUS短路問題，一般會用離散元件來實現多個保護電路。德州儀器則研發出高整合保護元件，將ESD和VBUS短路等保護功能整合在一顆晶片中，協助減輕應用產品設計複雜度與整體物料清單(BOM)成本。
做好訊號調節 確保高速訊號完整性
除了與「電」相關的保護設計，針對Type-C傳輸4K影像會遇到的訊號衰減、抖動所導致的一致性問題，目前也已出現許多Retimer和Redriver等訊號調節解決方案，可改善在長距離走線或纜線較長情形下的訊號品質，維持訊號完整性。
大體而言，Redriver是利用等化(Equalization)、預加強(Pre-emphasis)等技術，將訊號加強後再往後送；Retimer則是透過內部時脈重新取樣建構訊號，然後再將訊號發送出去。相較之下，後者的波形更為乾淨(圖2)。
資料來源：Analogix
Analogix應用工程經理樂志弘指出，Retimer已經驗證可為10Gb/s和5Gb/s的USB帶來更好的訊號完整性表現。USB 3.2規格中亦明白指出要使用標準的Retimer，其中BLR(Bit-level Retime)適用於5Gb/s USB設計，而SRIS Retimer則適用於10Gb/s USB實作。
樂志弘以桌上型電腦為例說明，現今桌機的連接埠多半置於子板上並遠離主機板，使得內部線組會發生訊號損失，導致無法符合USB規範，藉由Retimer的使用，則可大幅提升訊號完整性，達成USB規範要求。
無庸置疑的，USB Type-C與USB PD應用版圖將持續擴張，相關產品開發商須徹底了解設計細節，善用各種解決方案，克服在互通性、相容性與可靠性等方面的挑戰，才能以更安全、更好使用者體驗，掌握更大市場商機。
