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09
Mar

USB 3.1 Type-C 連接器相容性測試模擬

發佈 Signal_Power_Integrity
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雖然新的電子產品不斷有輕薄短小的需求,USB的連接器仍是主要的連接器介面。包括多種如Type-A,Type-B,Mini-A,Mini-B,Micro-A,Micro-B等。這些不同類型的USB有著不同的特色,但同時也有配對上替換上的困難,不易互相取代。同時在一般使用者眼睛的水平高度,也不易很清楚地識別連接器結合的正反面,常常先要試一下才知其方向,特別如Micro類的連接器。
新一代的USB Type-C連接器大小尺寸如micro-B,且正反面均可以插入,不再有方向上的區別。不同世代的USB如圖 1。 

 Data RateMode
USB 1.0 1.5 Mbps Low speed
USB 1.1 12 Mbps Full speed
USB 2.0 480 Mbps High speed
USB 3.0  5 Gbps SuperSpeed Gen 1
USB 3.1 10 Gbps SuperSpeed Gen 2

圖 1: 不同世代USB

圖2是 USB 3.1 Type-C連接器公母端結合完整的三維CAD模型,包括了四個超高速差分對的TX1+/-,RX2+/-,RX1+/-和TX2+/-以及一個USB2.0的高速差分對。這些信號對分別位於插頭(plug)和插座(receptacle)舌部的上下兩邊,舌部內有接地的金屬隔板,作為減少干擾用。如圖3。

圖 2: USB 3.1 Type-C receptacle (top) and plug (bottom)三維CAD模型, 感謝矽瑪科技提供
圖 2: USB 3.1 Type-C receptacle (top) and plug (bottom)三維CAD模型, 感謝矽瑪科技提供。


Pin assignment of USB 3.1 Type-C full featured.
圖 3: USB 3.1 Type-C pin assignment

圖4為依USB 3.1 Type-C規範,包括印刷電路板測試治具的插座和插頭結合後所建立的三維模型。相較於前代產品,USB3.1 Type-C的電氣規格分為參考(informative)和規範(normative)兩類,Informative可以被視為是準則項目,但不會是硬性的要求項目; 未能通過Informative規範,並不意味它不會通過連接器相容(compliance)測試。但通常作為審視連接器供應商之設計與製造的工程能力,informative項目仍為有相當價值的參考依據。Informative的項目包括了差分TDR,差分插入損耗,差分反射損耗,SuperSpeed對的串音,D +/-與SuperSpeed串音等。Normative則是為必需符合的項目,必需達到該規範方能稱為符合相容。


包括PCB測試治具的USB 3.1 Type-C連接器
圖 4: 包括PCB測試治具的USB 3.1 Type-C連接器

在USB3.1 Type-C型線纜組件(cable assembly)為標準化規範(normative)的一部分,如圖5中所示的線纜組件的長度為1米,並使用CST CABLE STUDIO®建模。線纜的橫截面也被標示在圖5中,四個超高速對使用同軸電線,而高速對(在中心)則採用雙絞線。所有的導線直徑是基於34 AWG是約0.16毫米。整體電纜直徑大約是3.36毫米。這裡需要說明的是由於僅針對高速訊號來分析,一些額外的連線,如Vconn,SBU和電力等並未被建進模型。

對於相容性測試,本分析利用電路模擬軟體CST DESIGN STUDIO™(CST DS)結合所有的S-參數結果。公母結合的連接器模擬採用MICROWAVE STUDIO® time domain solver來計算,採用single-ended port的設定,總共有24 port。因為兩端的測試端(TP1與TP2)完全一樣,因此僅需計算一端即可,另一端則以DS內的clone block設定即可。線纜的部份則以CST CABLE STUDIO®來模擬,最後在CST DS內整合所有的S參數。圖6說明了這樣的設定電路配置。需說明的是 D1+/-和D2+在線纜接口處短路。差模port的阻抗分別設定為90-ohm,共模port的阻抗則分別設定為 22.5-ohm。 


Illustration of test points for mated cable assembly and its cross-section view.
圖 5: 連接器測試點,與線纜組件及其橫截面


Mated connector and cable assembly schematic for compliance test.
圖 6: 結合的連接器,線纜組件之相容測試的模擬電路圖型

由CST DS計算得到完整的結果後,則可以開啟USB3.1 Type-C的相容測試工具來進行此連接器的相容性測試。該工具基於Normative的規範,測試的所有SuperSpeed TX1+/-,TX2+/-,RX1+/-和RX2+/-,包括Insertion Loss Fit at Nyquist Frequency (ILFitatNq), Integrated Multi-Reflection (IMR), Integrated Crosstalk between SuperSpeed Pairs, Integrated Return Loss, and Differential to Common Mode Conversion,同時也顯示了pass/fail的結果。相容性測試工具如圖7所示。此處要說明的是當收到該連接器模型時,該連接器仍在開發階段,並非是最終的產品。 


USB 3.1 Type-C compliance test tool.
圖 7: USB 3.1 Type-C 相容測試工具

Insertion Loss Fit at Nyquist Frequency(ILfitatNq)是預估被動信號通道(passive channel)性能的一項重要參數,它量測了線纜組件的衰減,但不包括多重反射(multi-reflection)。多重反射訊常以漣漪(ripples)在S參數內呈現。利用平滑曲線函數(smooth curve fitting),對S參數的插入耗損計算,以得到所謂的ILfitatNq。圖8即為該曲線的圖型。對於USB3.1 Type-C對Type-C線纜組件,需符合該ILfitatNq的規範如下:

  • >= -4dB at 2.5 GHz (5Gbps data rate, SuperSpeed Gen 1)
  • >= -6dB at 5 GHz (10Gbps data rate, SuperSpeed Gen 2)
  • >= -11dB at 10 GHz (possible future data rate 20Gbps)

依據所建模及DS的計算結果,所有的相容性測試將在該工具程式自動執行,最後產生該通導的電氣性能結果。

ILFit at Nyquist Frequency from S1,3.
圖 8: S1,3的ILFit at Nyquist Frequency

結論


本文以一實際及完整的案例說明USB3.1 Type-C連接器的模擬。採用time domain solver來模擬連接器的電氣特性。線纜組件與連接器經的計算結果經由CST DESIGN STUDIO來串接整體S參數的計算。之後由相容性測試工具來評量其電氣特性,是否符合規範。規範中重要的參數如Insertion Losss Fit at Nyquist Frequency(ILfitatNq), Integrated Multi Reflections (IMR) and integrated crosstalk等相容性測試項目在此工具裡均有計算。

 

參考資料

[1] Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.0, August 11th 2014.

[2] Methodology Used to Determine SuperSpeed USB 10 Gbps (USB 3.1) – Gen2 Channel and Cable Assembly High Speed Compliance, Yun Ling and Kuan-Yu Chen, April 23rd 2013.

[3] Simula Technology Inc. (http://www.simula.com.tw)

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