USB4 的主要开发目标是将数据传输速度提升一倍（40 Gbps 对比之前的 20 Gbps），并实现与英特尔 Thunderbolt 协议的兼容。USB4 将独家使用 USB Type-C 接口，这种椭圆形接口中间带有刀片，即使插反也能正常使用。虽然插拔线缆可能更简单，但 USB4 接口的充电技术现在必须支持 USB PD，这增加了复杂性。上一代 USB 规范（使用 Type-C 接口）允许选择启用 PD 功能，而 USB4 则强制要求启用。.
USB4 需要供电。PD
规范已修订，新增了用于发现和切换到 USB4 模式的消息，但供电方案保持不变。主机和设备使用 USB Type-C 接口配置通道 (CC) 线上的一条 300 kHz 单线总线来发现并协商要传输的电源和数据（图 1）。另一条 CC 线充当“VCONN”，为电子标记（USB 线缆内的识别电路）提供专用电源。USB 端口之间的供电通过连接器内的另一组导线（标记为“VBUS”；参见图 2）传输。当两个 PD 设备连接时，它们使用 CC 线相互发现，通信各自的供电能力（电压和每个电压下的功率），确定哪个设备应作为电源或接收器，协商要传输的功率，然后通过 VBUS 提供该功率。这个300kHz的数字信号还用于识别USB连接是否支持USB4链路，因此如果没有这种通信，就无法实现USB4。USB4端口不需要提供或接收超过5V/900mA的电源；但是，它们必须支持PD通信才能作为USB4正常工作。
通用串行总线供电发展史
为了理解用户在 USB4 上的充电体验，了解 USB 连接器供电发展史（见图 2）至关重要。通用串行总线最初设计用于串行数据通信，电缆上的最大电流为 100 mA。USB 2.0 规范将 VBUS 线路上的电流限制为 500 mA，这足以满足基本计算机外围设备的供电需求。USB 3.0 标准将电流限制提高到 900 mA，但随着便携式设备越来越多地使用单个连接器进行数据传输和供电，这已无法满足需求。USB
委员会发布了电池充电 (BC) 规范，最终在 2010 年发布了 BC1.2 规范，允许 1.5 A (7.5 W) 的电流；当时，许多智能手机制造商选择放弃 USB 兼容性。
这导致了专有的充电协议的出现，该协议在D+和D-线（USB数据线）上使用固定的电压：一条线2V，另一条线2.7V可提供10W充电；两条数据线均为2.7V可提供12W充电；每条线均为3.3V则会导致充电器输出20V电压（如果意外施加，可能会造成损坏）。这些方法互不兼容，结果也难以预测。此外，用于确定充电功率的数据线不再用于数据传输。一个端口可以传输文件，也可以加快充电速度，但不能两者兼顾。任何经历过手机充电时没电的人都知道，那个端口很可能是一个数据连接端口，根据USB 2.0规范，它提供的电流为500mA。
图 2：USB 电源策略随时间的变化。各厂商采用的专有标准不尽相同，而新的 USB 规范通常会保持向下兼容性。.
这个问题促成了第一个PD规范（版本1）的诞生，该规范为使用传统4针USB线缆在高于5V的电压下进行充电创建了一个通用标准。为了保持向后兼容性，需要在VBUS线路上添加一个hello信号，但这实现起来非常复杂，最终由于未能得到广泛应用而被放弃。USB-IF希望大家忘记这个规范的存在，实际上，大家也应该如此。这种做法如今已不再有效，也不再受支持。.
目前，PD 2.0 和 3.0 版本已经存在，并且包含了可编程电源 (PPS) 规范。这些规范与 USB Type-C 接口同时开发，并增加了信号连接。版本 2 和 3 的主要区别在于直流通信的细节。两者都向下兼容之前的 USB 实现（PD 版本 1 除外），用户体验也相同。设备会协商负载曲线，在 PPS 实现下，负载曲线的增量可达 20mV。支持 PD 的设备可以（但并非必须）在规范范围内支持高达 100W 的功率传输（20V 时 5A）。规范明确禁止使用数据线来传递其他负载曲线的专有方案，但 USB Type-C 也允许简化的 5V 1.5A 和 3A 充电（通过 CC 引脚上的电阻识别，而不是通过数字信号识别）。 USB Type-C 端口本身不需要 Power Delivery (PD) 功能，但 PD 功能需要 Type-C 端口，而 USB 4 则改变了这一点（参见图 3）；USB 4 使用 PD 通信来启用 USB 4 模式。
图 3：USB 数据和 USB 电源之间的关系 - USB 2.0 可以使用任何 USB 线缆，无论 Type-C 线缆是否支持 Power Delivery 功能。USB 3.x 需要使用带有额外 SuperSpeed 线路的线缆，无论 Type-C 线缆是否支持 Power Delivery 功能。USB 4 只能通过 Type-C 连接实现，并且需要 Power Delivery 通信。Power Delivery 功能也只能通过 Type-C 连接实现，但它本身不需要数据传输。
尽管新设备将遵循新的简化规范，但 USB 充电的复杂性源于所有这些传统标准，这些标准仍然存在于旧端口中，而新的 USB4 端口可以插入任何这些传统端口（见表 1）。.
表1：USB电源连接
使用场景和用户体验：
为了保持五代产品的向下兼容性，潜在的电源连接方式变得十分复杂。这给所有旧的 USB 端口和线缆的未来走向留下了很大的疑问，用户可能会继续担心“它还能充电吗？”
幸运的是，抛开专有技术规范不谈，大部分问题可以归结为几种可能的用户体验。虽然它们都能加载，但加载速度可能不尽相同。.
USB4 的应用场景主要有四种：
1. 使用转接线将传统充电端口连接到 USB4 Type-C 设备。2
. 使用转接线将 USB4 Type-C 充电器连接到传统端口。3
. 使用直流电源线将 USB4 Type-C 端口连接到非 USB4 Type-C 端口，并在直流电源线上连接一个电阻分线器。4
. 两个 Type-C 端口通过直流电源线连接，并在直流电源线上进行通信；这两个端口都可以是 USB4 设备。
就 USB 标准而言，苹果 8 针 Lightning 接口传输的信号与传统的 USB 3.x 线缆相同。通过 USB-C 转 Lightning 适配器线缆连接的 USB 4 端口，其供电功能与 USB-C 转 micro-B 或 USB-C 转 USB-A 线缆类似。以下是各种充电使用场景下的预期效果概述：
通过转接线将旧式充电端口连接到 USB 4 设备。
旧式端口，例如 A 型和 B 型端口，可能是在 Type-C 规范发布之前设计的（参见图 1）。这些端口过去和将来都没有被要求实现任何特定的快速充电方案。USB 2.0 端口可能默认以 500 mA 的电流充电，而 USB 3.x 端口可能默认以 900 mA 的电流充电。好消息是，大多数新型 USB 端口都支持 BC1.2 协议，并提供 7.5 W 的功率。无论使用何种类型的转接线，连接到旧式充电端口的 USB 4 或 Type-C 设备都不能消耗超过 7.5 W 的功率，否则将违反 USB 规范。
通过转接线将 USB4 充电端口连接到旧设备：
当 USB4 充电端口连接到旧设备时，可能会出现几种情况。USB4 端口可能标称使用 BC1.2 标准提供 1.5A 电流，而转接线可能传输 7.5W 的功率。如果 USB4 端口未配置为处理 BC1.2 的额外功耗，则其默认电流将为 USB 2.0 数据连接的 500mA 或 USB 3.x 数据连接的 900mA。这可能会让用户感到沮丧，因为使用转接线时，更先进的 USB 端口反而可能导致充电速度变慢。
USB4 转非 USB4 Type-C，带电阻分压器：
如果电源提供方或用户使用 Type-C 电阻分压器来声明功率，则功率传输将取决于分压器。USB4 设备无法通过直流线路进行通信，但它仍然可以通过连接到直流线路的电流源或电阻来识别配件、电源/用户关系以及电流限制（1.5A 或 3A）。总线电压将保持在 5V，充电设备可以汲取最高 7.5W 或 15W 的功率。由于设备知道它不在 PD 模式下，因此可以明确指示它不是在进行快速充电，从而为用户提供清晰的体验。
Type-C 转 Type-C，支持 PD 通信：
就电力传输而言，这可能是性能最强的 USB4 连接方式，但实际结果会因设备而异。连接的两台设备会根据各自的能力协商电力传输协议，最高可达 20V/5A。协商过程的一部分是确定供电方或供电方的角色。如果两台设备都是供电方，则协商后不会传输电力（这在便携式设备之间进行数据传输时是一种有效的应用场景）。供电端口可能标有电池符号，因此用户通常可以知道扩展坞或笔记本电脑上的哪些端口是供电端口。在这种情况下，供电端口必须能够提供至少 1.5A/5V（7.5W，与 BC1.2 相同）的功率，才能使用 USB-IF 认证的充电标志。即使是标有充电图标的 Type-C 端口，也不能保证提供更高的功率。由于功率合约的功率范围可以从 7.5W 到 100W 不等，用户只有在其中一个设备报告合约状态（指示功率级别或快速充电连接）时才能了解情况。这种使用场景无疑有可能造成不可预测且令人沮丧的用户体验，但如果拥有良好的报告机制和用户界面，它也可以带来完美的用户体验。
总之
，USB4 的加入将显著提升带宽，并增强其在 USB 应用中的应用能力，但 USB 2.0 和 USB 3.x 仍将继续用于数据传输速率较低的应用。功耗将会增加，但通过巧妙的应用设计，这并不一定会导致糟糕的用户体验。
作者：Fionn Sheerin，Microchip Technology公司电源和模拟接口事业部高级产品营销工程师
