Hur man uppfyller de nya kraven på tillförlitlighet och signalintegritet för USB4 Gen 3 Type-C

USB4-gränssnittet, med sin maximala dataöverföringshastighet på 40 Gbits/s över två signalbanor, har gjort det tuffare för konstruktörer att uppfylla kraven på signalintegritet och elektromagnetisk störning (EMI). Dessutom kräver den numer vanliga användningen av Type-C-kontakter av många data- och visningsprotokoll, att de delar den tillgängliga bandbredden på sina gemensamma bussar. Konstruktörerna måste också se till att kontakterna, liksom alla USB4-komponenter, är certifierade av flera standardiseringsorganisationer. Andra konstruktionsutmaningar är att minska risken för mekaniska skador på grund av felaktig isättning av stickdon och behovet av att anpassa sig till slutprodukter och användningsmodeller som kräver en större robusthet och mer avancerade funktioner.

USB Type-C®-specifikationen har definierat krav på kontakter som uppfyller systemens och produkternas nya behov, samtidigt som de bibehåller kompatibiliteten med alla funktionsfördelar hos befintliga USB-varianter. I denna artikel förklaras konfigurationen och funktionerna hos USB Type-C-kontakter, och de tillämpningar som den används för tas upp. Därefter presenteras exempel på USB4-certifierade USB Type-C-kontaktdon från Amphenol ICC som stöder alla de avancerade funktioner som beskrivs i specifikationen, inklusive tillagda funktioner som både minskar EMI och förbättrar kontakternas tillförlitlighet och mekaniska hållbarhet.

USB4 Gen 3 Type-C-kontakt

USB Type-C-kontakterna specificeras av USB Implementers Forum (USB-IF) i dokumentet "USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0", som omfattar USB4- och USB-Type-C-kontakter och som finns tillgängligt utan kostnad på USB-IF:s webbplats.

USB-C-kontakten har 24 pinnar och ger USB Power Delivery (USB PD), dataöverföring samt ljud- och videoutgång i en enda kontakt. Det mest anmärkningsvärda med USB-C-kontakterna är att de är vändbara, det vill säga att kontakten kan sättas in i kontakten i båda riktningarna - en funktion som är mycket uppskattad av användare som har haft problem med att sätta in de gamla USB-A-kontakterna. Denna egenskap kan ses när man tittar på signaltilldelningen för USB-C-kontakter och -uttag (Figur 1).

Den centrala pinnlayouten som visas i figur 1 är den som används i uttaget. Två olika riktningar på stickkontakten visas: den övre är för normal riktning och den nedre visar kontakten roterad 180˚. Oavsett kontaktens riktning, matchas de motsvarande signalerna ihop vid isättning av kontakten.

Figur 1: Signaltilldelningen för USB-C-kontakten (upptill och nedtill) och uttaget (i mitten), med vy utifrån in i varje del, visar att 180˚ vridning av kontakten fortfarande ger rätt matchning av respektive signaler vid isättning. (Bildkälla: Art Pini)

Signalgrupperna i USB-C-kontakterna visas i tabell 1, med matchande färger för motsvarande signaler från kontaktstiftet från figur 1, vilket visar USB-C-kontakternas mångsidighet för användning i olika tillämpningar. De snabba differentialsignalbanorna stöder överföringshastigheter på upp till 40 Gbits/s och används för både USB4-, alternate-mode- och tunnelprotokoll.

Tabell 1: En sammanfattning av USB4-kontaktens signaler som omfattar två differentialsignalbanor för höghastighetssignaler, en differentiell USB 2-signalväg samt ström- och gränssnittskontrollsignaler. Signalgruppens fyllningsfärger matchar färgerna för motsvarande signaler från kontaktstiftet som visas i figur 1. (Tabellkälla: Art Pini)

Alternate-mode-protokollet som stöds med USB4 är Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) och High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Fler protokoll för alternate-mode kan definieras och aktiveras via en USB PD-protokollhandskakning med hjälp av strukturerade, leverantörsdefinierade meddelanden (VDM) för att upptäcka och konfigurera alternate-lägena.

USB PD gör det också möjligt för produkter att förhandla om den strömnivå som källan matan. USB4 stöder en maximal effektnivå på 100 watt vid 20 volt och 5 ampere (A). Denna möjlighet kan kräva ett programmerbart nätaggregat. Effektstyrning och aktiva kablar möjliggör snabbladdning. Effektkontrakten mellan enheterna förhandlas med hjälp av konfigurationskanalens (CC) ledning med tvåfasmarkörkodning vid 300 kilobaud med halv duplex.

Det finns många fördelar med att använda en gemensam kontakt för alla dessa olika protokoll som täcker tillämpningar inom ljud, video, datalagring och datakommunikation. Det gör det också möjligt att definiera nya och framväxande protokoll allteftersom de utvecklas.

Kontaktdonens pinn-tilldelning visar en layout med sunt förnuft för att maximera signalintegriteten. Exempelvis är höghastighets- och USB 2-dataledningarna differentiella för att minimera överhörning och EMI. Alla dataledningar går dessutom mellan effekt- och jordbussar eller andra signalledningar med låg bandbredd för att ge isolering, och höghastighetsdataledningarna är placerade på motsatta sidor av layouten för att minimera överhörning från bana till bana.

Funktioner i Amphenols produktutbud för ICC USB4-fästen

För att underlätta konstruktionsutmaningarna med USB4 har Amphenol ICC introducerat fyra USB4 Gen 3-fästen som presterar bättre än den befintliga standarden. De är nästa generations kontaktdon som uppfyller standardens höga dataöverföringshastigheter på upp till 40 Gbit/s och är kompatibla med USB PD, med Thunderbolt-gränssnittet som kombinerar strömladdning, USB-tunnling och PCIe-dataöverföring via en enda Type-C-kontakt. Dessa kontakter stöder också både DisplayPort-video och -ljud med 4K Ultra High Definition (UHD) med en uppdateringsfrekvens på 60 Hz.

En viktig USB4-funktion för dessa kontakter är deras förmåga att dynamiskt optimera bandbredden vid överföring av video och data. Enligt standarden är de nya USB4-kontakterna bakåtkompatibla och stöder tidigare USB-versioner, inklusive USB 2, 3.1 och 3.2, men med vridbara kontakter och kablar för en avsevärt förbättrad USB-användarupplevelse. Kontakternas lilla storlek och funktionella mångsidighet gör dem idealiska för integrering i ny teknik.

Konstruktion som stödjer strömmatning och mekanisk hållbarhet

Amphenols ICC USB4-fästen är utformade för att klara 10 000 felfria kopplingscykler, vilket ger hög hållbarhet och minskad förslitning vid cyklisk användning. Fokus på högkvalitativa kopparlegeringar vid utformningen av ledarbanorna säkerställer 40 mΩ kontaktmotstånd med låga förluster och en högre strömstyrka på 5 A för USB-strömförsörjning på upp till 100 watt.

Kontakterna använder en förbättrad sidovägg för mittplattan som maximerar kontaktytan och stabiliserar kontaktutformningar så att den inte vickar (Figur 2).

Figur 2: Den förbättrade utformningen av sidoväggen på Amphenols ICC USB4-fästen ger "vickfria" anslutningar med bättre EMI-skydd och förbättrat mekaniskt skydd mot felaktig isättning av kontakten. (Bildkälla: Amphenol ICC)

De förbättrade mekaniska funktionerna inkluderar en förlängd sidoplatta som når fram till hörnet av uttagets tunga för att förhindra att andra kontakter än Type-C, såsom micro-USB-kontakter, sätts i. Samma sidovägg är jordad med mittplattan, vilket ger ytterligare skärmning och minskad EMI. De tillagda groparna på den inre skölden styr kontaktdonet och behåller korrekt position på kontaktdonet under isättningen. Hela den mekaniska enheten ger en stabil låsning och maximal överlappning av kontaktytan på de matchande ledande ytorna, vilket minimerar kontaktmotståndet. Ett tydligt hörbart klick säkerställer att den är helt isatt.

Amphenols ICC-produktfamilj

Det finns fyra USB4 Type-C-uttag i Amphenols ICC-produktsortiment (Figur 3).

Figur 3: Amphenols ICC USB4 Gen 3 Type C-uttag omfattar tre toppmonterade utföranden och ett mittmonterat utförande. (Bildkälla: Amphenol ICC)

Det toppmonterade rätvinkliga uttaget GSB4D313302Y1HR- för hålmontering är idag certifierat av USB-IF och rekommenderas av Intel för Thunderbolt 4-användning. Dess yttre hölje har ett enhetligt tvärsnitt (från fram- till bakände) med en centrumhöjd på 1,58 mm (avståndet från monteringsplanet till kontaktdonstungan).

12402056E512A och 12402073E512A är också toppmonterade uttag för hålmontering, men de har ett rektangulärt yttre hölje med en centrumhöjd på 1,57 mm. Standardcertifieringen av dessa uttag är ännu inte klar (när detta skrivs).

12402075E512A är ett mittmonterat uttag med en centrumhöjd på endast 0,47 mm för en mer kompakt konfiguration. Den är också avsedd för hålmontering. Certifiering av detta uttag är också under behandling.

Alla dessa uttag är avsedda att användas inom ett temperaturområde på -40 °C till +85 °C, vilket gör dem lämpliga för fordonstillämpningar.

Användning av USB4-kontakter

Dessa uttag kan användas för lagring, infotainment i bilar, hemmedianläggningar, dockning, gränssnitt mot kringutrustning (bildskärm/display, projektor) och andra konsumentoprodukter som bärbara datorer och surfplattor. Deras lilla storlek, stödet för flera funktionslägen och strömregleringen ger en enorm mångsidighet.

Slutsats

USB Type-C-kontakten, med sin förmåga att hantera flera höghastighetsprotokoll och strömnivåer, kommer att få fler användningsområden när användarna vill ha snabbare dataöverföring, snabb laddning och enkelhet i kontakten. Med USB4 får användarna alternativa funktionslägen (s.k. alternate modes) och stöd för tunnling. Dessa förbättringar säkerställer en bredare användning av USB4 i mer varierande och potentiellt hårda miljöer och tillämpningar. För att hjälpa konstruktörerna att ta hänsyn till detta är Amphenols ICC USB4-uttag utformade för att överträffa den grundläggande USB-IF-specifikationen, mildra effekterna av EMI och säkerställa tillförlitliga anslutningar under många cykler och breda temperaturomfång.