Jak spełnić nowe wymagania dotyczące niezawodności i integralności sygnału USB4 Gen 3 Type-C

Interfejs USB4 z maksymalną szybkością przesyłania danych wynoszącą 40Gbit/s na dwóch liniach wywiera na projektantach dodatkowy nacisk, aby spełnić wymagania dotyczące integralności sygnału i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Ponadto powszechne obecnie stosowanie złączy Type-C przez wiele protokołów danych i protokołów multimedialnych wymaga współdzielenia dostępnej szerokości pasma przez ich magistrale. Projektanci muszą również mieć pewność, że złącza, podobnie jak wszystkie komponenty USB4, są certyfikowane przez wiele organizacji normalizacyjnych. Inne wyzwania projektowe to m.in. ograniczenie ryzyka uszkodzeń mechanicznych spowodowanych nieprawidłowym włożeniem wtyczki oraz konieczność dostosowania się do produktów końcowych i modeli użytkowych, które wymagają większej wytrzymałości i bardziej zaawansowanych funkcji.

Specyfikacja USB Type-C® określa wymagania dotyczące złączy, które odpowiadają na zmieniające się potrzeby systemów i urządzeń, jednocześnie bez utraty wszystkich zalet funkcjonalnych dotychczasowych rodzajów USB. W niniejszym artykule wyjaśniono konfigurację i funkcje złącza USB Type-C oraz omówiono zastosowania, w których jest ono używane. Dalej przedstawiono przykłady złączy USB Type-C z certyfikatem USB4 firmy Amphenol ICC, które mają wszystkie zaawansowane funkcje opisane w specyfikacji, w tym dodatkowe funkcje, które zarówno redukują zakłócenia elektromagnetyczne, jak i poprawiają niezawodność i integralność mechaniczną złącza.

Złącze USB4 Gen 3 Type-C

Specyfikacje wtyczek i gniazd USB Type-C są określone przez Forum Implementatorów USB (USB-IF) w dokumencie „Specyfikacja kabla i złącza USB Type-C w wersji 2.0”, który obejmuje USB4 w zakresie złącz USB Type-C i jest dostępny bezpłatnie na stronie internetowej USB-IF.

Złącze USB-C wykorzystuje 24 wtyki i obsługuje zasilanie USB (USB PD), transfer danych, wyjście audio i wideo w jednym złączu. Najbardziej zauważalną cechą złączy USB-C jest ich symetria względem dwóch osi. Oznacza to, że wtyczka może być włożona do gniazda w dowolnej orientacji - jest to cecha bardzo doceniana przez użytkowników, którzy mieli problemy z wkładaniem starych złączy USB-A. Ten atrybut można zobaczyć, patrząc na przypisania sygnałów dla wtyczek i gniazd USB-C (ilustracja 1).

Układem gniazda jest układ z wtykiem środkowym pokazany na ilustracji 1. Pokazane są dwie orientacje wtyczki: górna ilustracja to orientacja normalna, a dolna pokazuje wtyczkę obróconą o 180˚. Niezależnie od ustawienia wtyczki, odpowiednie sygnały są dopasowywane po jej włożeniu.

Ilustracja 1: przypisanie sygnałów dla złącza wtykowego USB-C (góra i dół) oraz gniazda (środek) zobrazowane na poszczególnych częściach, pokazuje, że obrót wtyczki o 180° nadal daje prawidłowe dopasowanie odpowiednich sygnałów po włożeniu. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Grupy sygnałów w złączach USB-C ukazane w tabeli 1, z kolorami dopasowanymi do odpowiednich sygnałów wtyków złącza z ilustracji 1 - obrazują uniwersalność złączy USB-C w różnych zastosowaniach. Szybkie tory sygnału różnicowego mogą obsługiwać szybkości transferu do 40Gbit/s i są używane zarówno dla protokołów USB4, jak i protokołów trybu alternatywnego oraz tunelowania.

Tabela 1: zestawienie sygnałów złącza USB4, które obejmuje dwa szybkie tory sygnału różnicowego, tor sygnału różnicowego USB 2 oraz sygnały zasilania i sterowania interfejsem. Kolory teł dla grup sygnałów odpowiadają kolorom odpowiednich sygnałów styków złącza pokazanych na ilustracji 1. (Źródło tabeli: Art Pini)

Protokoły trybu alternatywnego obsługiwane przez USB4 to m.in.: Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) i High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Dodatkowe protokoły trybu alternatywnego można zdefiniować i włączyć poprzez uzgadnianie protokołu USB PD przy użyciu ustrukturyzowanych komunikatów zdefiniowanych przez dostawcę (VDM) w celu wykrywania i konfigurowania trybów alternatywnych.

USB PD umożliwia również urządzeniom negocjowanie poziomu mocy dostarczanej przez źródło. Maksymalna obsługiwana moc dla USB4 to 100W przy napięciu 20V i natężeniu 5A. Ta funkcja może wymagać zasilacza programowalnego. Sterowanie mocą i aktywne kable umożliwiają szybkie ładowanie. Poziom zasilania jest negocjowany między urządzeniami przy użyciu linii kanału konfiguracyjnego (CC) z wykorzystaniem kodowania znaku dwufazowego (BMC) przy prędkości 300kBd w trybie półdupleksowym.

Istnieje wiele zalet korzystania ze wspólnego złącza dla wszystkich tych różnych protokołów obejmujących zastosowania audio, wideo oraz przechowywanie i komunikację danych. Pozwala to również na definiowanie nowych protokołów w miarę ich opracowywania.

Przypisania wtyków złącza charakteryzują się racjonalnym układem pozwalającym zmaksymalizować integralność sygnału. Na przykład szybka linia danych i linia danych USB 2 są różnicowe, co pozwala zminimalizować przesłuchy i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Ponadto wszystkie linie danych są prowadzone między magistralami zasilającymi i masowymi lub innymi liniami sygnałowymi o małej przepustowości, aby zapewnić izolację, a szybkie linie danych są umieszczone po przeciwnych stronach układu w celu minimalizacji przesłuchów między torami.

Cechy oferty gniazd USB4 firmy Amphenol ICC

Aby pomóc sprostać wyzwaniom projektowym związanym z USB4, firma Amphenol ICC wprowadziła cztery gniazda USB4 Gen 3, które przewyższają parametry istniejącego standardu. Są to złącza nowej generacji, których szybkość transmisji danych odpowiada szybkościom transmisji danych standardu do 40Gbit/s, i które są kompatybilne z USB PD, z interfejsem Thunderbolt, łącząc w sobie funkcje ładowania, tunelowania USB i transferu danych PCIe za pośrednictwem jednego złącza Type-C. Złącza te obsługują również DisplayPort wideo i audio w rozdzielczości 4K Ultra High Definition (UHD) przy częstotliwości odświeżania 60Hz.

Istotną cechą charakterystyczną tych złączy USB4 jest zdolność do dynamicznej optymalizacji szerokości pasma podczas przesyłania wideo i danych. Zgodnie ze standardem, nowe złącza USB4 są kompatybilne wstecznie, obsługując poprzednie wersje USB, w tym USB 2, 3.1 i 3.2, ale posiadają obracaną wtyczkę i orientację kabla, co zapewnia znacznie lepszy komfort użytkowania. Niewielkie rozmiary i funkcjonalna wszechstronność złączy sprawiają, że idealnie nadają się do nowych technologii.

Konstrukcja mechaniczna zapewnia moc i trwałość

Gniazda USB4 firmy Amphenol ICC zostały zaprojektowane tak, aby zapewnić doskonałą wydajność przez 10 tysięcy cykli łączenia, oferując wysoką trwałość i zmniejszone zużycie podczas operacji eksploatacji. Koncentracja na wysokiej jakości stopach miedzi w projektowaniu dróg przepływu prądu zapewnia rezystancję zestykową o niskiej stratności 40mΩ oraz wyższe znamionowe natężenie prądu 5A dla zasilania USB o mocy do 100W.

W złączach zastosowano ulepszoną ściankę boczną dla środkowej płytki, która maksymalizuje powierzchnię styku i stabilizuje jego pozycję, dzięki czemu styk nie wygina się (ilustracja 2).

Ilustracja 2: ulepszona konstrukcja ścianek bocznych gniazd USB4 firmy Amphenol ICC zapewnia nie wyginające się połączenia z lepszą ochroną przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i ulepszoną ochroną mechaniczną przed nieprawidłowym włożeniem wtyczki. (Źródło ilustracji: Amphenol ICC)

Jednym z udoskonaleń mechanicznych jest przedłużona płytka ściany bocznej, która sięga do narożnika wypustu gniazda, aby zapobiec włożeniu wtyczek innych niż Type-C, takich jak wtyczka micro-USB. Sama ścianka boczna jest połączona z masą i płytką środkową, co zapewnia dodatkowe ekranowanie i zmniejsza zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Dodatkowe wgłębienia na wewnętrznej osłonie prowadzą wtyczkę i utrzymują prawidłową pozycję jej korpusu podczas wkładania. Cały zespół mechaniczny zapewnia stabilne blokowanie i maksymalne nakładanie się powierzchni styku łączonych powierzchni przewodzących, minimalizując rezystancję zestykową. Mocne słyszalne kliknięcie daje pewność pełnego włożenia.

Grupa produktów firmy Amphenol ICC

W ofercie produktów firmy Amphenol ICC znajdują się cztery gniazda USB4 Type-C (ilustracja 3).

Ilustracja 3: gniazda USB4 Gen 3 Type-C firmy Amphenol ICC występują w trzech wersjach do montażu górnego i jednej wersji do montażu środkowego. (Źródło ilustracji: Amphenol ICC)

Gniazdo GSB4D313302Y1HR do montażu górnego przewlekanego pod kątem prostym jest obecnie certyfikowane przez USB-IF i zalecane przez firmę Intel do użytku z interfejsem Thunderbolt 4. Jego zewnętrzna powłoka ma jednolity przekrój od przodu do tyłu z wysokością środkową 1,58mm (odległość od płaszczyzny montażowej do wypustu złącza).

Gniazda 12402056E512A i 12402073E512A są gniazdami do montażu górnego przewlekanego, ale mają prostokątną osłonę zewnętrzną o wysokości środkowej 1,57mm. Aktualnie (w momencie pisania tego tekstu) trwa proces certyfikacji standardów tych gniazd.

Gniazdo 12402075E512A jest gniazdem do montażu środkowego o wysokości środkowej wynoszącej zaledwie 0,47mm, co stanowi bardziej kompaktową konfigurację. Wykorzystuje ono również montaż przewlekany. Dla tego gniazda także obecnie trwa proces certyfikacji.

Wszystkie opisane gniazda są przystosowane do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +85°C, dzięki czemu dobrze nadają się do stosowania w pojazdach.

Zastosowania złącza USB4

Omawiane gniazda znajdą zastosowanie w urządzeniach pamięci masowych, samochodowych systemach inforozrywkowych, urządzeniach rozrywki domowej, stacjach dokujących, złączach urządzeń peryferyjnych (monitor/wyświetlacz, projektor) i innych urządzeniach konsumenckich, takich jak notebooki (laptopy) i tablety. Niewielkie rozmiary, obsługa wielu trybów i kontrola mocy zapewniają ogromną wszechstronność.

Podsumowanie

Złącze USB Type-C, z możliwością obsługi wielu szybkich protokołów i poziomów mocy, znajdzie więcej zastosowań, gdy użytkownicy będą szukać większych szybkości przesyłania danych, możliwości szybkiego ładowania i prostoty złącza. Dzięki USB4 użytkownicy otrzymują alternatywne tryby i obsługę tunelowania. Ulepszenia te zapewnią szersze wdrożenie USB4 w bardziej zróżnicowanych i potencjalnie trudniejszych środowiskach i zastosowaniach. Aby pomóc w tym projektantom, gniazda Amphenol ICC USB4 zostały zaprojektowane tak, aby przewyższały podstawową specyfikację USB-IF, redukując wpływ zakłóceń elektromagnetycznych i zapewniając dobre połączenia przy wielu cyklach łączenia i w szerokim zakresie temperatur.