USB是什麼？USB-C差異與規格、速度一次看懂
USB是讓電腦、手機和周邊裝置互相連接的共通約定（規格）。USB-C是接頭「形狀」的名稱。資料的傳輸速度（USB 2.0到USB4）和能送的電力（USB PD），是由別的規格決定。所以即使傳輸線的形狀相同，能做的事也不一樣。
這篇文章可以了解
- USB規定了什麼，又是由誰制定的
- 把「形狀」「速度」「電力」三件事分開看，哪些地方會變得清楚
- 各世代的速度，以及包裝上「USB 10Gbps」這類標示方式
- 為什麼同樣是USB-C傳輸線，有的能充電卻無法輸出影像
- 為什麼用瓦數大的充電器，手機也不會壞，以及歐盟的共通充電器規定
先備知識：大致知道電壓（伏特，V）和電流（安培，A）的意思。只會用到「電力＝電壓×電流」這個乘法（內文會用文字說明）。
生活中的例子
滑鼠、鍵盤、USB隨身碟、手機的充電器，都是用USB連接的。最近，筆電的充電、連接外接螢幕，也會用到USB。
從2023年9月推出的iPhone 15開始，iPhone的連接埠也改成了USB-C。不過，iPhone 15的資料傳輸速度最高是480 Mb/s。iPhone 15 Pro則最高是10 Gb/s（Apple）。形狀相同，速度卻差了約20倍。
「明明是USB-C傳輸線，螢幕卻沒有畫面」「充電很慢」這類困擾，也是同一個原因造成的。下面就從原理開始，依序來看。
原理①：USB是「連接方式的共通約定」
在USB普及以前，電腦的連接埠會因為要接的裝置而各不相同。滑鼠用的、印表機用的，形狀和內容都不一樣。於是有人制定了共通的約定，讓任何裝置都能用同一種連接埠連接。這就是USB，最早的1.0版在1996年1月完成。
USB是Universal Serial Bus的縮寫。Serial（序列）的意思，是把0和1一個接一個依序傳送。和用很多條線同時傳送的方式相比，需要的線比較少。
管理USB規格的，是名為USB-IF（USB Implementers Forum）的非營利團體。它由開發USB的公司聯合，在1995年成立。USB-IF也負責「認證」：測試產品是否照規格運作，並讓合格的產品使用標誌（USB-IF）。
USB方便的地方之一，是可以在開著電源時插拔。一接上，電腦就會自動查出裝置的種類，讓它可以使用。這種性質稱為熱插拔。
原理②：「形狀」「速度」「電力」是各自的約定
USB讓人困惑的地方，多半來自3種不同的約定都叫做「USB」。它們分別是接頭的形狀、資料的傳輸速度、電力的傳送方式。整理成表格如下。
| 規定的是什麼 | 主要的名稱 | 例子 |
|---|---|---|
| 接頭的形狀（連接器） | USB Type-A、Micro-B、USB Type-C | 電腦上長方形的連接埠、前幾年Android手機的連接埠、現在手機和電腦的連接埠 |
| 資料的傳輸速度 | USB 2.0、USB 3.2、USB4 | 480 Mb/s～80 Gb/s |
| 電力的傳送方式 | 基本的5 V供電、USB PD | 數W～240 W |
USB Type-C（以下稱USB-C）是在2014年8月訂出規格的接頭形狀。正反兩面都能插，裡面排列著24個端子。USB-IF的指引也明確寫著：「USB 3.2是速度的規格，和USB-C不同」。
實際的速度和電力，會配合兩端裝置與傳輸線之中能力最低的那一方。只要其中一個只支援舊規格，那裡就會成為上限。
原理③：資料的傳輸速度由世代決定
先說明速度的單位。0或1的一份資訊稱為1位元（b）。1秒能送幾位元，用「b/s」表示。Mb/s是1秒100萬位元，Gb/s是1秒10億位元。
| 規格名稱 | 年 | 最高速度 | 現在的標示 |
|---|---|---|---|
| USB 1.0 / 1.1 | 1996 / 1998年 | 12 Mb/s | — |
| USB 2.0 | 2000年 | 480 Mb/s | Hi-Speed USB |
| USB 3.0（= USB 3.2 Gen 1） | 2008年 | 5 Gb/s | USB 5Gbps |
| USB 3.1 Gen 2（= USB 3.2 Gen 2） | 2013年 | 10 Gb/s | USB 10Gbps |
| USB 3.2 Gen 2x2 | 2017年 | 20 Gb/s | USB 20Gbps |
| USB4 | 2019年 | 40 Gb/s | USB 40Gbps |
| USB4 Version 2.0 | 2022年 | 80 Gb/s | USB 80Gbps |
年份是規格完成的年份，產品會在之後才推出。速度是規格的上限，實際傳送檔案的速度會比這個慢（USB-IF、英特爾等）。USB4是以英特爾提供的Thunderbolt規格為基礎制定的。
名稱變得難懂的原因
同樣是5 Gb/s的速度，每次修訂都換了名稱：USB 3.0、USB 3.1 Gen 1、USB 3.2 Gen 1。這是因為新版納入舊版時，也替以前的速度取了新名稱。
「Gen 2x2」的「x2」，意思是同時使用2條10 Gb/s的通道。USB-C裡有2套「傳送組＋接收組」的高速訊號線（合計4組），所以能這樣使用「2線道」。
為了避免混亂，USB-IF從2019年起，要求包裝上標示速度，而不是版本號碼。2022年起，改用「USB 10Gbps」這樣簡短的寫法（USB-IF）。
原理④：0和1用2條一組的線傳送
訊號越快，越容易受到周圍雜訊的影響。所以USB把2條線當成一組，送出方向相反的訊號。接收端只看2條線電壓的「差」，來判斷是0還是1。
雜訊有個特性：容易以相同的方式，疊加在緊鄰的2條線上。取差值時，這些雜訊就會互相抵消。這種傳送方式稱為差動訊號。它和用1條線傳送的方式有什麼不同，比較頁面「單端與差動訊號的差異」整理成了表格。
USB 2.0只有1組這種線，傳送和接收輪流進行。USB 3.x以後，另外加上專門傳送和專門接收的線組，讓雙方能同時傳輸。高速訊號的線，連粗細和間距都要規定好再製作。原因在「印刷電路板（PCB）是什麼？」中說明。
原理⑤：電力從5 V開始，協商後再提高
電力（W，瓦特）由電壓和電流相乘決定。例如5 V、1 A就是5 W。USB的供電線，原本是5 V。USB 2.0的連接埠是0.5 A（2.5 W），USB 3.0的連接埠是0.9 A（4.5 W）（英特爾）。
USB-C維持同樣的5 V，最高可以送出1.5 A或3 A（15 W）。充電器會用端子裡「對話用的線」（稱為CC線）的電壓，告訴對方自己能供應到多少（Microchip）。
要替筆電充電，需要更大的電力。於是有了這樣的約定：接上之後，充電器和裝置互相協商，再把電壓提高。這就是USB PD（USB 供電）（USB Power Delivery）。最高原本是20 V、5 A的100 W。2021年5月的修訂，擴大到48 V、5 A的240 W（USB-IF）。
不增加電流而提高電壓，是為了減少在傳輸線中變成熱的電力。同樣的電力，電壓越高，需要的電流就越少。這和輸電線路提高電壓的想法相同，在「交流電和直流電有什麼不同？」中說明。
原理⑥：傳輸線的內容，決定能做什麼
連接USB-C和USB-C的傳輸線，裡面不只一種。最簡單的，只由供電線、對話用的CC線、USB 2.0的線組構成。USB 3.x以後的高速訊號線組，並沒有放進去。
用USB-C把影像送到螢幕時，會把這些高速線組借給影像訊號使用。代表性的例子，是名為DisplayPort的影像規格（VESA）。沒有高速線的傳輸線，就算能充電，也無法用這種方法傳送影像。
傳輸線裡的小晶片「E-Marker」
一般的USB-C傳輸線，設計成最多能流過3 A。20 V、3 A就是60 W。要流過更大的5 A，傳輸線的插頭裡必須裝有小晶片（USB-IF）。
這個晶片就像替電的通道掛上名牌。它會回答充電器和裝置「這條線最多5 A，速度最高幾Gb/s」這類資訊。這個晶片稱為E-Marker（電子標記）。沒有名牌的傳輸線，充電器為了安全，會限制在3 A以內。要用240 W充電，需要支援240 W、內含E-Marker的傳輸線。
被動式傳輸線與主動式傳輸線
高速訊號在傳輸線越長時，衰減越多，波形也會走樣。USB-C規格把裡面沒有電路的被動式傳輸線傳送10 Gb/s的長度參考值，定在1 m以內。要傳得更長、更快，就要用裡面裝有整理訊號晶片的傳輸線。這稱為主動式傳輸線。
USB4 Version 2.0的80 Gb/s，用現有的40 Gb/s被動式傳輸線也能傳送。也能使用新制定的80 Gb/s主動式傳輸線（USB-IF）。通過認證的傳輸線，會印上「40Gbps」「240W」這類速度與電力的標誌（USB-IF）。
原理⑦：在USB裡工作的半導體晶片
電腦這一側，有一個電路負責看管接上的裝置，並決定何時和哪個裝置通訊。這稱為USB控制器。它多半整合在和CPU同一顆晶片，或旁邊的晶片裡。
在滑鼠或鍵盤這一側，小型電腦晶片會照USB的約定回應。這類晶片多半是內建USB電路的微控制器（「微控制器（MCU）是什麼？」）。
充電器和手機裡，有負責USB PD協商的晶片，稱為PD控制器。它會依協商的結果，打開電力通道的開關，或對改變電壓的電路下指令。小型充電器處理大電力的元件，在「氮化鎵（GaN）是什麼？」中說明。
高速訊號的路徑中間，有時會放入讓衰減訊號恢復的晶片。只補償波形並放大的，稱為重驅動器（Redriver）。
另一種是先讀出0和1，再以乾淨的訊號重新傳送的晶片。這稱為重定時器（德州儀器）。它比較能應付大幅衰減的訊號，但價格比重驅動器高。
手指會碰到的連接埠，是靜電容易竄入的地方。所以連接埠附近也會放置元件，把靜電導走、保護晶片（靜電放電）。
世界的規定：歐盟的「共通充電器」
歐盟（EU）訂出了把充電孔統一為USB-C的規定，也就是指令(EU) 2022/2380。從2024年12月28日起，在歐盟販售的裝置，充電孔必須是USB-C。適用對象包括手機、平板、數位相機、頭戴式耳機、掌上型遊戲機、入耳式耳機等。筆電則從2026年4月28日起適用（歐盟執委會）。
這項規定不只限於接頭的形狀。能超過5 V、3 A、15 W任一項快充的裝置，必須支援USB PD。另外，也必須提供不附充電器、只買裝置的選擇。目的是減少充電器的廢棄物，讓手邊的充電器能重複使用。
這項規定的對象是在歐盟販售的產品。不過，許多製造商在全世界販售同一機型，所以在歐盟以外，採用USB-C的裝置也越來越多。
常見的誤解
誤解：USB-C傳輸線都一樣
實際上，形狀相同，內容卻不同。有的只有USB 2.0的速度，有的最多3 A（60 W），有的能以5 A傳送100 W或240 W等。因為形狀的名稱，和速度、電力的規格是分開訂的，從外觀無法分辨。最可靠的方法，是確認認證標誌上「Gbps」和「W」的數字。
誤解：接上瓦數大的充電器，手機會壞掉
實際上，USB PD充電器剛接上時只會送出5 V。要用哪個電壓，是由手機從充電器提出的清單中挑選後請求。充電器的瓦數是「能送出的上限」，不是硬塞進去的量。所以，用100 W的充電器替20 W的手機充電，流過的也只有協商決定的量。不過，這是指照規格製造的產品。沒有認證的劣質產品，就不一定如此。
誤解：規格的版本號碼越大，速度越快
實際上，「USB 3.2」包含了5 Gb/s、10 Gb/s、20 Gb/s三種速度。USB 3.0時代的5 Gb/s產品，用現在的名稱也是USB 3.2 Gen 1。只看版本號碼無法確定速度，購買時看Gbps的數字最可靠。
從數字來看
| 數字 | 代表什麼 |
|---|---|
| 1995年 / 1996年 | USB-IF成立 / USB最早的1.0版 |
| 12 Mb/s → 80 Gb/s | USB 1.1（1998年）和USB4 Version 2.0（2022年）的最高速度。約6,700倍 |
| 約2分50秒 / 8秒 | 以480 Mb/s和10 Gb/s傳送10 GB檔案時，理論上最短的時間 |
| 5 V | USB的基本電壓。USB PD協商之前也是5 V |
| 2.5 W / 4.5 W / 15 W | 維持5 V時，USB 2.0、USB 3.0、USB-C（3 A）連接埠能送出的電力 |
| 60 W / 100 W / 240 W | 3 A傳輸線能傳送的上限 / 2021年5月以前USB PD的上限 / 現在的上限（48 V、5 A。稱為EPR的範圍） |
| 2024年12月28日 / 2026年4月28日 | 歐盟開始要求USB-C充電孔的日期。手機等 / 筆電 |
10 GB檔案的時間，是以1位元組＝8位元計算，不含程序上的額外負擔。實際上會花更久。也有可以改變檔案大小和速度來試算的「資料傳輸時間計算工具」。
進一步學習
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- 名詞：USB PD / 差動訊號 / 重定時器 / 熱插拔 / 等時傳輸（傳送聲音和影像的方式） / SerDes（高速序列通訊的電路）
- 用表格看差異：單端與差動訊號的差異 / NRZ與PAM4的差異 / PCIe 3.0、4.0、5.0、6.0的差異 / I2C、SPI、UART的差異
- 用數字試試看：資料傳輸時間計算工具