優化高頻特性/改善干擾問題 Type-C滿足不同應用需求

USB Type-C大統整  影音充電無所不包

USB Type-C承襲USB QC(Quick Charge) 3.0特性，優化為USB PD(Power Delivery)快速充電5A@100W/20V，將原有的一對電源傳輸導體接腳，改良為四對電源傳輸導體接腳，藉此分流並聯增加電流量、降低大電流充電時所產生的壓降與溫升，可使系統端產品可對裝置端產品快速充電。 

USB Type-C更將傳統USB僅能支援行動高畫質連結(MHL)的影音傳輸需求，參考高解析度多媒體介面(HDMI)/DisplayPort(DP)的高畫質影音傳輸接口設計，讓USB 3.1 A原有的兩對高頻差動訊號對，改進優化為共四對的左右各兩對高頻差動訊號對。 

除此之外，甚至為支援無損高音質音源傳輸，在USB Type-C原設計即預留了邊帶使用(SBU)接腳藉以支援音源輸出/輸入，此優異功能特性可完全取代傳統的Audio Plug/Jack。 

至於在USB 3.0/3.1 A&B及HDMI等使用高頻技術來做高速和高解析度傳輸的各類接口，在發展過程中所面臨的高頻(HF)雜訊(Noise)對無線射頻(RF)產生的干擾，USB Type-C於官網上也號稱可完全解決6GHz以內的無線頻段不受干擾，主要是在於對高頻特性有較嚴格的要求(圖1∼圖4)。 

圖1 以TRC PNS掃描NB與USB Flash的近場雜訊來源，標準須小於-60dBm。

圖2 以TRC T-Put量測NB上的Wi-Fi在Read-Write前後的衰減變化，標準以CH6-20Mbit/s做為量測標準。

圖3 以TRC Noise Floor量測2.4G與5G頻段的雜訊輻射，標準以小於-89dBm為標準。

圖4 以ETC設備量測6A@100W/20V(1hr)連接器帶板時的溫升與壓降變化，溫升須小於攝氏30度。

以上如此優異的原設計特性，卻在實際應用發展時非如預期地順利，關鍵在於每個產業雖然對USB Type-C有諸多期待，但卻未能在應用上順利發展。 

高頻雜訊干擾未解  USB Type-C發展大隱憂

在連接器的原設計參考規範中，目前USB Type-C母座設計主要為雙排表面黏著技術(SMT)接腳版、一排SMT二排DIP(Dual In-line Package)的混合式(Hybrid)版、一排SMT一排DIP的Hybrid版，以上三大類設計應於印刷電路板(PCB)結構中，高頻差分訊號對走線，無法如連接器對接端相同優異，主要在於接腳以前後排式設計所導致。外排接腳走線較無難度，但內排接腳走線則須貫孔走線或向後回轉走線，不利於高頻訊號耦合平衡設計，所以高頻訊號特性無法有效發揮，甚至內排接腳不論是SMT或DIP，均不利於過爐貼焊至於電源對接腳。 

在電路板的走線也是甚為不易，原設計美意為並聯分流降低電阻，在實際中卻只能四對串聯成兩對，最後再因此以兩對來分流並聯供電。如此使得電流量在接腳端電流負載減半，或因為電源接腳前後排設計，使得電流在接腳的傳輸距離內長外短，短接腳因距離較短，因而承受較大的電流負載，故溫升過高與壓降過大，是目前電源傳輸難以在電子成品達到5A@100W/20V的最大瓶頸。 

至於對於6GHz以內的雜訊對射頻干擾(RFI)，至今為止僅規定電纜線須過認證，而其他應用USB Type-C的連接器、控制器、電路板均無此認證要求，目前整個產業界也面臨束手無策的窘境，主要還是只有電纜線對高頻特性有要求。而其他連接器、電路板、控制器、電阻、電感、電容卻未做任何高頻特性認證要求。坦白說，不將高頻特性優化，如何能解決射頻干擾？也因此各產業雖然都已陸續導入USB Type-C，但對於USB Type-C卻有不同的定義來應用(圖5∼圖8)。 

圖5 以Litek的TDR量測高頻特性阻抗，USB Type-C公頭與母座對插高頻阻抗標準為85歐姆，上下震盪以正負5歐姆，即10歐姆內為標準。

圖6 以Litek TDR量測近端串音與遠端串音，測試標準為在10GHz以下及10GHz以上至20GHz，均須控制在-40dBm，尤其是3GHz以下，及6GHz至5GHz區間，務必調至-40dBm以內，可降低串音雜訊對射頻的干擾。

圖7 以Litek TDR量測插入損失與回受損失，測試標準為在10GHz以下及10GHz以上至20GHz，插入損失在6GHz內均須控制在-0.75dBm以上，回受損失在6GHz以內，務必調至-20dBm以下，如此不會因訊號衰減產生射頻干擾。

圖8 以Litek TDR量測差模對共模以及眼圖，在差模對共模主要以6GHz以內的數據為關鍵，因目前所有消費性無線頻段均在6GHz以內，故以標準不高於-30dBm為標準；而眼圖量測即為瞭解高頻參數S11、S12、S21、S22綜合特性所呈現的圖型，主要是在於觀察眼圖除了張開眼程度外，還可觀察訊號對稱性與訊號的抖動特性。

規格先行問題待解  USB 2.0 Type-C仍為大宗

智慧型手機、手表、手環、眼鏡等產品主要以USB 2.0 Type-C規格為標準，在手機裝置端因應超薄短小，因此以沉板式短版母座連接器為需求大宗；目前在中國大陸市場主要都是這類型的母座連接器，而快充大電流3安培(A)與5安培要求為主流，再加上防塵與防水要求為未來趨勢。僅有少數大廠的手機有使用USB 3.1 Gen.1 Type-C規格，但在實際使用接口做資料存取時，則是用軟體、韌體在手機裝置內部自動切換成USB 2.0 Type-C模式。 

平板或變形平板等產品基本上與手機產品要求相似，因為USB 3.1 Type-C有線高頻雜訊對無線射頻訊號干擾嚴重，也是以USB 2.0 Type-C為主流大宗，但對於防水與防塵則較無實際要求，至於快充大電流3安培與5安培要求也是必備需求。因為產品薄度也是平板產品的要求，也因此主要也是以沉板式母座為需求大宗，至於對連接器產品主要是以標準版長度為主。 

超輕薄筆電或筆記型等電腦產品，則是與手機及平板產品有截然不同的需求，主要以沉板式與平貼式規格為主。因英特爾(Intel)近期主推Thunderbolt 3，以USB Type-C為主要應用接口形式，因此台美日主要品牌大廠都是以USB Type-C來支援Thunderbolt 3，及僅支援USB 3.1 Gen.1的傳輸速度5Gbit/s(625MB/s)，而非USB 3.1 Gen.2的傳輸速度10Gbit/s(1250MB/s)，主要原因還是因為高頻雜訊對無線射頻訊號嚴重干擾，造成無線訊號在高頻傳輸時，被干擾導致無線訊號中斷或衰減；甚至也會干擾顯示螢幕，使得高畫質模式無法以高畫質解析，嚴重干擾還會因此在螢幕雪花。 

迷你型或桌上型等電腦產品，對於USB Type-C的需求規格，更是延續過往USB A的規格，主要是以墊高型與堆疊式為主，也是以支援Thunderbolt 3及USB 3.1 Gen.1 Type-C插口連接器為主流規格。主要是因為此類連接器應用產品體積較大，也因此較無對連接器輕薄短小的要求，而且因為內置無線天線可擺置空間較大，可因應高頻雜訊輻射場形，來調整無線天線發射場形位置，所以，USB 3.1 Gen.1 Type-C在此類產品應用已成為主要規格。 

內建無線的路由器、分享器等網通產品以及個人雲端產品，此類網通或雲端裝置，從2014年陸續導入可抗無線射頻干擾的USB 3.0 A的接口後，在連接器、電路板、電纜線都有嶄新不同於昔的設計後，目前網通產品設計均已突破原有的射頻干擾限制，而能大量使用USB 3.0高速連接器於網通產品內，也因此有許多廠商躍躍欲試使用USB Type-C接口。但礙於目前業界USB Type-C接口對射頻干擾仍束手無策，仍只能用USB 3.1 Type-C接口，在無線網通運作時，在消費者不知情的狀況下，自動降規降速為USB 2.0 Type-C模式，但這也是迫於無奈的唯一處理方式。 

外接固態硬碟(SSD)與硬碟(HDD)外接盒等高速儲存產品，則是對於USB Type-C接口有高速傳輸需求。因為此類產品都是大容量儲存，幾乎都是512GB容量為基本規格，為了能夠達成高速傳輸超大容量資料，對於高頻特性需求有著較高規格需求，甚至對於驅動電流也有較高的要求，也因此對於USB Type-C接口與接線之兼容性更是要求嚴苛。尤其是對於線材長度基本都是在1米(m)以上，所以高頻特性中的阻抗、插入損失、回受損失、近端串音、遠端串音、差模轉共模、眼圖，都會影響高頻特性。 

照相機、攝影機、空拍機、潛拍機等可上網的影音輸入產品，因應高解析度與運動及水下拍攝市場正在蓬勃發展，對於USB Type-C接口與接線的需求較為高規格，防水、防塵、高頻、高畫質的要求更是最為高標準，可說是將USB Type-C應用發揮到極致。在連接器與電纜線的要求，除了要取得USB開發者論壇(USB-IF)的TID No.外，還要能通過英特爾Thunderbolt 3的規格標準，甚至有些產品還要能通過IP68的等級。 

電視、顯示器、投影機影音輸出產品，則主要是以Thunderbolt 3規格為趨勢，因應三維(3D)影像輸出及電競遊戲需求，對高解析度影音顯像更是有迫切需要，因過往的主要影音接口如DisplayPort、HDMI、視訊圖形陣列(VGA)、數位視訊介面(DVI)均難以達到Thunderbolt 3規格，而Super MHL雖然前幾年也發表問世，但支持投入廠商寥寥可數，難以抗衡。由英特爾所主導的Thunderbolt 3則是以USB 3.1 Gen.2 Type-C為唯一支援接口介面，也因此全面帶動USB Type-C接口應用，但要能達到Thunderbolt 3高解析度影像，其對高頻規格更勝於USB 3.1 Type-C的要求，所以USB Type-C所要面臨的挑戰更是高門檻。 

充電器、行動電源(充電寶)電源輸出/入產品，對於快充大電流之高功率產品更是需求甚大，在中國大陸可說是所有廠家均已投入。此類產品對於USB Type-C (Only Power)接口連接器有專屬需求，尤其是對電流3安培與5安培為其標準要求規格，甚至已有廠商已超過協會標準更高的電流8安培與10安培額定大電流，主要是將USB Type-C接口的四對高頻差動與兩對低頻差動和兩根SBU針腳取消，藉以給四對電源傳輸針腳使用，來擴大電流截面積，增加電流通過。電量增加，可使電流在高功率傳送時，電壓降損能夠降低，使得工作溫度不要上升過高，藉此能在安全無虞的環境中使用。 

耳機、音響、喇叭音源輸出產品，則是對無損音質則有其市場前瞻需求，主要是在蘋果(Apple) iPhone 7開始已將3.5吋音源接口取消，有鑑於此帶動Android手機各大品牌跟進追逐，陸續於新機型將音源接口取消，卻也因此帶動音源輸出產品加速應用USB Type-C接頭。而此類USB Type-C的連接器對於內部針腳要求也不同，主要是將USB Type-C接口的四對高頻差動針腳取消，再加上僅留一到二對電源傳輸針腳，藉此使USB Type-C達到無損音質，又可降低成本。 

滑鼠、鍵盤、搖桿、觸控筆、手寫板等手控輸入產品，則是對USB Type-C接頭有不得已被迫改變更換的無奈。主要是此類產品對USB Type-C的需求，如同過往USB 2.0 A的規格，不須要使用大電流，也不必使用高頻高速傳輸，更無須使用高畫質無損影音規格，也因此僅需要一對低頻差動對針腳與一對電源正負電接腳即可。所以為了能兼容於以往的USB A接頭，此類市場大部分是以新增或多配USB A母轉USB C公的轉接器，藉以支援USB目前流通於市的新舊規格接口。 

隨身碟、讀卡器儲存產品、集線器輸入/輸出產品，主要是以多插口型式為主流。對於USB Type-C的需求，可分為手機周邊應用，以手機吊掛飾品單或雙插口為主，且USB 2.0為手機周邊主流產品；電腦周邊產品應用，以小型易攜薄型化多插口為主，且USB 3.0/3.1 Gen.1為電腦周邊主流產品，更有其他結合HDMI、DisplayPort、VGA、RJ45等接口而成的多功能USB連結裝置(Dongle)，或是應用於其他轉接器和轉換器。 

蘋果陣營觀望不前   認證不嚴各吹各的號

以上所述為USB Type-C於目前主要產品的應用現況，可看出USB介面發展至今，除了原有的USB 2.0發展未遭受瓶頸限制外，已進化可防水、防塵、快充的應用；至於在USB協會發展原意中，將USB Type-C定位成可高頻高速傳輸，以及高速傳輸時可解決無線訊號6GHz以內的射頻干擾，及可高解析度顯像，甚至是系統端可逆充電裝置端，這些目前已是USB發展需要創新性的突破發展。也因此可以預料蘋果下一代對使用USB Type-C也是興趣缺缺，畢竟在蘋果MacBook Pro已正式將USB Type-C置入，卻受到不是很正面的使用評價，更何況真要將USB Type-C放入iPhone或iPad的風險控制？除了高頻雜訊對無線射頻干擾外，還有USB PD的應用成熟度與安全性是否已臻成熟？其實這一切來源於USB Type-C的連接器與其所搭配使用的電纜線與電路板設計原創。 

目前USB Type-C連接器認證標準，雖然協會規範有高頻特性限制值，但在實際的協會認證標準中，並不將高頻特性列為標準認證項目，僅做相關電氣、尺寸、信賴性的認證，對於連接器公頭上下斜插易短路的安全性疑慮也未要求認證。同時，電纜線的認證標準，礙於先天不良設計，所有電纜線的認證用線可謂萬中選一，難以在量產中做出與認證用線相同標準。主要是因為電纜線的組成為公頭連接器、轉接電路板、線材三者所組成，就算連接器與線材特性能達標，但電路板的特性卻是最難處理，關鍵在於成本要低、體積要小、特性要好，三項要求的組合實為艱難，目前有拿到協會認證的電纜線，實際出貨能符合當初認證規格的恐怕不多。 

還有，在裝置端或系統端所使用的USB Type-C母座連接器、印刷電路板、主控晶片三者所組成，但這三者的連接器、主控晶片雖然皆有經過協會做相關認證，而電路板卻無須經過協會認證，也不須模擬試跑高頻特性，所以，高頻特性理所當然無法優化，更遑論要解決高頻雜訊射頻干擾(圖9∼10)。 

圖9 USB Type-C公頭與母座以上下雙排後延伸為單排交疊錯位順序，除了有利於過爐貼焊好受熱熔錫與維修補焊，更有利於高頻與大電流走線在電路板上易直拉布板。

圖10 USB Type-C應用於印刷電路板上，其電路走線以走內層疊構較佳，可利於降低高頻雜訊產生的雜訊造成射頻干擾。

USB Type-C立意甚佳   未來發展之路仍長 USB Type-C是今後電子產品唯一的接口標準已是無庸置疑，USB Type-C可取代USB A/B、Micro USB A/B、HDMI/MHL、VGA、DVI、DisplayPort/Thunderbolt、DC、RJ45(LAN)、Audio、AUX各式影音、電源、音源、網通、高畫質影音等介面接口，也是電子產品有史以來，唯一可見能統一所有接口介面的連接器。目前在中國大陸幾乎所有連接器、電纜線、電路板、電子成品的大小廠商正火熱地應用USB Type-C在出貨，而在台灣卻是除了少數大廠外，大部分的廠商在USB Type-C的商情仍是冷颼颼。這或許意味著接下來台灣廠商難以在公規系列產品和中國大陸廠商抗衡，也因為如此高頻、高畫質、抗擾差異化高技術產品才是台灣市場未來的主流發展方向。 

(本文作者為廣迎工業連接器事業處處長)