Lightning 转 USB Type-A/Type-C 思路

背景介绍

Lightning 接口是2012年9月12日苹果发布的 Lightning Dock 接口，中文译为”闪电”接口。目前基本只在苹果公司推出的iPhone手机上使用。

USB 接口最早是在1996年以 USB1.0 规范出现，后续的几十年内逐步推出了USB2.0、USB3.0以及最新规范USB3.1。USB接口种类丰富多样。在我们生活中使用的最多的接口种类是：Micro-USB、USB和Type-C。其中，Micro-USB主要出现在上一代安卓机中。USB也即USB-Type-A ，主要出现在U盘和电脑主机等各种设备上，目前支持USB2.0 和 USB3.0协议。Type-C也即USB-Type-C，目前主要出现在新一代的手机接口中，目前支持USB3.1协议。

下文主要讨论，苹果公司推出的 Lightning 接口向传统 USB Type-A 和 现代USB Type-C 的接口转换原理和思路。其中 USB Type-A 只讨论4根引脚的 USB2.0 协议。对于USB3.0协议，这里不予讨论。

1. Lightning 转 USB Type-A

基于目前的科技发展现状，Lightning 转 USB Type-A 的连接线逐渐消失，反之 Lightning 转 USB Type-C 的连接线大幅涌现。这可以说明，现代 USB Type-C 相比于传统 USB Type-A 可以在充电效率和数据传输速度上做更多的事情。下图为 Lightning 转 USB Type-A 连接线：

1.1 Lightning 接口原理介绍

Lightning 接口分为母口和公口。母口通常位于iPhone充电端，具有单面8个引脚进行连接。公口通常位于连接线的一端，具有双面共16个引脚进行连接。

1.1.1 母口

母口从左到右依次为引脚1至引脚8，其中PWR为电源，GND为接地。ID0和ID1实现对公口正反面的识别。L0p和L0n，L1p和L1n为两对USB 2.0数据传输协议接口，需要区分正负极。

1.1.2 公口

公口分为上下两层，即A/B两面。上层A面中，从左到右依次为引脚1至引脚8，其中PWR为电源，GND为接地。ID0和ID1实现对公口正反面的识别。L0p和L0n，L1p和L1n为两对USB 2.0数据传输协议接口，需要区分正负极。下层B面中，所有接口可以看做是上层接口的180度翻转，实现同类引脚的互连。

1.2 USB Type-A 接口原理介绍

USB Type-A 接口分为母口和公口。母口通常位于电脑主机或充电器端。公口通常位于连接线的一端。母口和公口均为单面4个引脚进行连接。因此，这里只讨论在用户端使用最多的公口进行介绍。母口完全类似。


公口从左到右依次为引脚1至引脚4，其中PWR为电源，GND为接地。D+和D-实现 USB 2.0 数据传输协议，需要区分正负极。

1.3 转换思路

从 Lightning 接口 和 USB Type-A 接口两者的引脚原理图中我们可以看出， Lightning 向 USB Type-A 的转换过程中只需要从 Lightning 接口中接出4根线即可，为GND，L0p，L0n，PWR，或者为GND，L1p，L1n，PWR。由于 Lightning 接口规范的局限性，只存在L0p，L0n或L1p，L1n，为两根数据传输接口，这和 USB 2.0 协议接口中的 D+ 和 D- 一致。因此Lightning 向 USB Type-A 的转换过程中只能实现 USB2.0 的数据传输速度。 下图为 Lightning 接出的4根线：

2. Lightning 转 USB Type-C

上文提到 Lightning 接口规范存在局限性，只能实现 USB 2.0 协议的数据传输速度。而 USB Type-C 接口规范可以实现 USB 3.1 协议，且向下兼容 USB 2.0 协议。 Lightning 接口显然无法满足 USB Type-C 接口的 USB 3.1 协议高速数据传输的要求，只能发挥 USB Type-C 接口的基本能力：USB 2.0 协议。那么生产 Lightning 转 USB Type-C 连接线的意义何在呢？ 这里推测，最近几年由于安卓手机阵营的日益庞大，在数据传输接口上也开始倾向去发展更高速的传输协议。在 USB Type-C 接口出现后，安卓阵营的手机和充电器逐步开始进行全系列产品的接口进化，从传统的 Micro-USB 升级为 USB Type-C 接口。于是，我们会发现，所有的安卓充电头的接口都逐渐变成了 USB Type-C 接口。如果这时，恰好苹果用户的手机没电，当用户只有充电线，拿出来充电线后发现只能接在 USB Type-A 接口上进行充电，身边又没有 USB Type-C 接口的充电头，那么将是令用户很不开心的事情。为此，部分公司发现了用户的这一需求，开始推出 Lightning 转 USB Type-C 的连接线。一方面，将连接线的 USB Type-A 接口替换为 USB Type-C 接口后可以实现更快的充电速度。另一方面，有了 USB Type-C 的充电线，身边安卓手机用户的 USB Type-C 充电头都可以用来为自己的iPhone进行充电，使iPhone的充电更为便捷。下图为 Lightning 转 USB Type-C 连接线：

2.1 Lightning 接口原理介绍

前文已介绍，这里不再多述。

2.2 USB Type-C 接口原理介绍

USB Type-C 接口分为母口和公口。母口通常位于连接线端。公口通常位于电脑或手机端。母口和公口均为双面24个引脚进行连接。

公口和母口均分为上下两层，即A/B两面。这里介绍用户端使用最多的母口。在A面中，2根VBUS接正极，2根GND为接地，D-和D+用于支持USB 2.0 协议，SBU1为 Secondary Bus，CC为Configuration Channel。TX1- 和 TX1+，RX2- 和 RX2+ 用于支持高速数据传输，支持USB 3.0，USB3.1 ，雷雳 3 和雷雳 4。 B面中，所有接口可以看做是A面接口的180度翻转，引脚类型完全一致。

2.3 转换思路

从 USB Type-C 接口的引脚原理图中我们可以看出，Lightning 向 USB Type-C 的转换过程中同样只需要从 Lightning 接口中接出4根线即可，为GND，L0p，L0n，PWR，或者为GND，L1p，L1n，PWR，接入到 USB Type-C 接口的GND，VBUS，D-，D+上，并且**只能实现USB 2.0 协议。**也就是说，在Lightning 转 USB Type-C的连接线的USB Type-C端，有至少10根高速传输数据的引脚都没有使用到，这使得 USB Type-C 多数资源被浪费。下图为 Lightning 接出的5根线，多出的1根线应该是屏蔽罩的地线：

另外值得一提的是，从 USB Type-C 接口的引脚原理图中我们可以看出，由于 USB 3.0 协议在 USB Type-C 接口中相当于只使用了A面，也就是双通道传输和接收数据，理论最大速度为5Gb/s。而 USB3.1 协议使用到了AB双面，采用了四通道传输和接收数据，理论最大速度是USB3.0的两倍，为10Gb/s。所以，从原理层面来看，USB3.1 协议的数据传输速度比 USB 3.0 协议速度快两倍。下图为USB各协议版本数据传输速率对比表：

3. 参考文献

Lightning 接口介绍
USB 接口介绍
USB3.0 接口定义
USB Type-C定义
typec接口知识
图片源于淘宝
USB 各版本的传输速率