Sådan opfylder du de nye USB4 Gen 3 Type-C-krav til pålidelighed og signalintegritet

USB4-grænsefladen med dens maksimale dataoverførselshastighed på 40 gigabit pr. sekund (Gbits/s) over to baner har lagt yderligere pres på designerne for at opfylde kravene til signalintegritet og elektromagnetisk interferens (EMI). Desuden kræver den nu udbredte brug af Type-C-stik af flere data- og skærmprotokoller, at de deler den tilgængelige båndbredde over deres indbyrdes busser. Designere skal også være sikre på, at stikkene, ligesom alle USB4-komponenter, er certificeret af flere standardiseringsorganisationer. Andre designudfordringer omfatter afbødning af risikoen for mekaniske skader som følge af forkert indsættelse af stikket og behovet for at tilpasse sig slutprodukter og brugsmodeller, der kræver større robusthed og mere avancerede funktioner.

USB Type-C®-specifikationen fastlægger krav til stik, der opfylder systemers og enheders nye behov, samtidig med at de er kompatible med alle de funktionelle fordele ved de eksisterende USB-former. I denne artikel forklares konfigurationen og funktionerne ved USB Type-C-stikket, og de anvendelser, som det bruges til, gennemgås. Derefter præsenteres eksempler på USB4-certificerede USB Type-C-stikdåser fra Amphenol ICC, der understøtter alle de avancerede funktioner, der er beskrevet i specifikationen, herunder yderligere funktioner, der både reducerer EMI og forbedrer stikdåsenes pålidelighed og mekaniske integritet.

USB4 Gen 3 Type-C-stik

USB Type-C-stik og -bøsninger er specificeret af USB Implementers Forum (USB-IF) i dokumentet "USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0", som dækker USB4 over USB Type-C-stik og er gratis tilgængelig på USB-IF's websted.

USB-C-stikket bruger 24 pins og giver USB Power Delivery (USB PD), dataoverførsel, lyd- og videooutput i ét stik. Det mest bemærkelsesværdige ved USB-C-stikkene er, at de er vendbare, dvs. at stikket kan sættes i stikket i begge retninger - en funktion, som er meget værdsat af brugere, der har haft problemer med at sætte de gamle USB-A-stik i stikket. Denne evne kan ses ved at se på signaltildelingen for USB-C-stik og -bøsninger (Figur 1).

Det centrale ben-layout, der er vist i figur 1, er receptaktens. Der er vist to stikorienteringer: den øverste er for normal orientering, og den nederste viser stikket drejet 180˚. Uanset stikkets retning tilpasses de tilsvarende signaler ved indsættelse af stikket.

Figur 1: Signaltilknytningerne for USB-C-stiksættet (øverst og nederst) og -bøsningen (i midten) set ind i hver del viser, at 180˚ drejning af stikket stadig resulterer i korrekt matchning af de tilsvarende signaler ved indsættelse. (Billedkilde: Art Pini)

Signalgrupperne i USB-C-stikkene er fremhævet i tabel 1 med matchende farver på de tilsvarende stikstiftsignaler fra figur 1 - de viser USB-C-stikkernes alsidighed til brug i forskellige applikationer. De differentielle højhastighedssignalbaner kan understøtte overførselshastigheder på op til 40 Gbit/s og anvendes til både USB4- og alternate-mode- og tunneling-protokoller.

Tabel 1: En oversigt over USB4-stiksignaler, der omfatter to differentielle højhastighedssignalspor, en differentiel USB 2-signalvej samt strøm- og grænsefladekontrolsignaler. Signalgruppens udfyldningsfarver svarer til farverne på de tilsvarende stikstiftsignaler, der er vist i figur 1. (Kilde til tabellen: Art Pini)

De protokoller med alternativ tilstand, der understøttes med USB4, omfatter Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) og High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Yderligere alternative tilstandsprotokoller kan defineres og aktiveres via et USB PD-protokolhåndtryk ved hjælp af strukturerede, leverandørdefinerede meddelelser (VDM) til at finde og konfigurere de alternative tilstande.

USB PD giver også enhederne mulighed for at forhandle om det strømniveau, der leveres af kilden. USB4 understøtter et maksimalt effektniveau på 100 watt ved 20 volt og 5 ampere (A). Denne mulighed kan kræve en programmerbar strømforsyning. Strømstyring og aktive kabler giver mulighed for hurtig opladning. Strømkontrakterne mellem enhederne forhandles ved hjælp af konfigurationskanallinjen (CC) ved hjælp af biphase-mærkekodning ved 300 kilobaud, halv-duplex.

Der er mange fordele ved at bruge et fælles stik til alle disse forskellige protokoller, der dækker applikationer inden for lyd, video, datalagring og datakommunikation. Det giver også mulighed for at definere nye og nye protokoller, efterhånden som de udvikles.

Stikkets ben-belægning viser et layout med sund fornuft for at maksimere signalintegriteten. For eksempel er højhastigheds- og USB 2-datalinjerne differentielle for at minimere overspænding og EMI. Desuden er alle datalinjer ført mellem strøm- og jordbusser eller andre signallinjer med lav båndbredde for at sikre isolation, og højhastighedsdatalinjerne er placeret på modsatte sider af layoutet for at minimere overspænding fra bane til bane.

Egenskaber ved Amphenol ICC USB4-emballageprodukterne fra Amphenol

For at hjælpe med at imødekomme designudfordringerne i forbindelse med USB4 har Amphenol ICC introduceret fire USB4 Gen 3-bøsninger, der overgår den eksisterende standard. Det er næste generation af stik, der opfylder standardens høje dataoverførselshastigheder på op til 40 Gbits/s og er kompatible med USB PD, idet Thunderbolt-interfacet kombinerer strømopladning, tunneling USB og PCIe-dataoverførsel via et enkelt Type-C-stik. Disse stik understøtter også både DisplayPort-video og -lyd med 4K ultra high definition (UHD) med en opdateringshastighed på 60 Hertz (Hz).

En vigtig USB4-funktion ved disse stik er deres evne til dynamisk at optimere båndbredden under overførsel af video og data. Ifølge standarden er de nye USB4-stik bagudkompatible og understøtter tidligere USB-versioner, herunder USB 2, 3.1 og 3.2, men med drejeligt stik og kabelorientering for at give en meget forbedret USB-brugeroplevelse. Stikkernes lille størrelse og funktionelle alsidighed gør dem ideelle til indarbejdelse i nye teknologier.

Mekanisk design understøtter kraft og holdbarhed

Amphenol ICC USB4-bøsninger er designet til at yde fremragende ydelse i 10.000 parringscyklusser, hvilket giver høj holdbarhed og reduceret slitage fra cyklisk drift. Fokus på kobbermetallegeringer af høj kvalitet i designet af de ledende baner sikrer lavt tab på 40 milliohm (mΩ) kontaktmodstand og en udvidet strømstyrke på 5 A til USB-strømforsyning på op til 100 watt.

Stikkene bruger en forbedret sidevæg til den midterste plade, der maksimerer kontaktområdet og stabiliserer kontaktydelsen, så den ikke kan vrikke (Figur 2).

Figur 2: Det forbedrede design af sidevæggen på Amphenols ICC USB4-bøsninger giver "vrikkefri" forbindelser med bedre EMI-beskyttelse og forbedret mekanisk beskyttelse mod forkert indsættelse af stikket. (Billedkilde: Amphenol ICC)

De forbedrede mekaniske funktioner omfatter en udvidet sidevægsplade, der når helt op til hjørnet af stikdåsetungen for at forhindre, at stik, der ikke er af type C, som f.eks. mikro-USB-stikket, kan sættes i. Den samme sidevæg er jordet sammen med midterpladen, hvilket giver yderligere afskærmning og reduceret EMI. De tilføjede fordybninger på den indre skærm styrer stikket og opretholder den korrekte position af stikkerkroppen under indsættelse. Hele den mekaniske samling giver en stabil låsning og maksimal overlapning af kontaktfladerne på de ledende overflader, hvilket minimerer kontaktmodstanden. Et kraftigt, hørbart klik sikrer fuld indsættelse.

Amphenol ICC-produktfamilien

Der er fire USB4 Type-C-bøsninger i Amphenols ICC-produktudbud (Figur 3).

Figur 3: Amphenol ICC USB4 Gen 3 Type C-modulerne omfatter tre topmonterede versioner og en midtermonteret version. (Billedkilde: Amphenol ICC)

GSB4D313302Y1HR topmonteret stikdåse med retvinklet gennemgående hulmontering er i øjeblikket certificeret af USB-IF og anbefales af Intel til Thunderbolt 4-brug. Dens ydre skal har et ensartet tværsnit forfra og bagfra med en centerhøjde på 1,58 millimeter (mm) (afstand fra monteringsplanet til forbindelsestunge).

12402056E512A og 12402073E512A er også topmonteringsdåser med gennemgående hulmontering, men de har en rektangulær ydre skal med en centerhøjde på 1,57 mm. Certificering af disse beholdere er undervejs (i skrivende stund).

12402075E512A er en mid-mount-bøsning med en centerhøjde på kun 0,47 mm, hvilket giver en mere kompakt konfiguration. Den anvender også gennemgående hulmontering. Certificeringen af denne beholder er også undervejs på nuværende tidspunkt.

Alle disse stikdåser er beregnet til drift i et temperaturområde fra -40 °C til +85 °C, hvilket gør dem velegnede til applikationer i køretøjer.

Anvendelse af USB4-stik

Disse beholdere vil blive brugt til opbevaring, infotainment i biler, underholdning i hjemmet, docking, perifere grænseflader (skærm/display, projektor) og andre forbrugerapplikationer som bærbare computere og tablets. Deres lille størrelse, understøttelse af flere tilstande og strømstyring giver en enorm alsidighed.

Konklusion

USB Type-C-stikket vil med sin evne til at håndtere flere højhastighedsprotokoller og strømniveauer finde flere anvendelsesmuligheder, efterhånden som brugerne søger hurtigere dataoverførselshastigheder, hurtig opladning og enkelhed i forbindelse med stikket. Med USB4 får brugerne alternative tilstande og understøttelse af tunneling. Disse forbedringer vil sikre en bredere anvendelse af USB4 i mere varierede og potentielt mere barske miljøer og applikationer. For at hjælpe designere med at tage højde for dette er Amphenol ICC USB4-bøsninger designet til at overgå den grundlæggende USB-IF-specifikation, hvilket mindsker virkningerne af EMI og sikrer gode forbindelser over mange cyklusser og brede temperaturområder.