確保可靠性/訊號完整性　USB4 Type-C連接器升級使用體驗

2024-03-26

Art Pini

作為音視訊、資料儲存、資料通訊傳輸以及充電應用中重要的連接標準，USB Type-C的標準一直在演進，無論是設計還是應用，都要基於對最新的協定有著充分的瞭解。本文解釋USB Type-C連接器的配置和特性，並介紹通過USB4認證的USB Type-C連接器插座，探索相關設計及潛力應用。

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USB4介面兩個通道的最大資料傳輸率為每秒40Gbps，對於訊號完整性和電磁干擾(EMI)的要求為設計人員帶來額外壓力。此外，現在有多種資料和顯示協定普遍使用Type-C連接器，這要求它們在其共同的匯流排上共用可用的頻寬。同時，設計人員還需要確保連接器和所有的USB4元件一樣，獲得多個標準組織的認證。其他設計挑戰包括減輕由於錯誤插入插頭而造成機械損壞的風險，以及需要適應更堅固、更先進功能的終端產品和使用模式。

USB Type-C規範確立了新的連接器要求，即在保持與現有USB規格的所有功能優勢的相容性外，同時滿足系統和裝置不斷發展的需求。本文將解釋USB Type-C連接器的配置和特性，並對其應用進行討論。接著，以Amphenol Communications Solutions(Amphenol CS，前身為Amphenol ICC)通過USB4認證的USB Type-C連接器插座樣本進行舉例說明。

USB4 Gen3 Type-C連接器

USB Type-C插頭和插座規範由USB開發者論壇(USB-IF)在USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0檔案中指定，該檔案涵蓋USB-Type-C連接器上的USB4，並可在USB-IF網站上免費下載。

USB-C連接器使用24個接腳，在一個連接器中同時提供USB供電(USB PD)、資料傳輸、音訊和視訊輸出。USB-C連接器的可反插特性最引人注目，插頭能夠以任何方向插入插座，這是那些在插入舊的USB-A連接器時遇到問題的用戶非常喜歡的一個特性。觀察USB-C插頭和插座的訊號分配，即可看出其可反插能力。如圖1所示，中間為插座的中心接腳布局，而上下則分別為兩個插頭方向：上面是正常方向，下面是旋轉180˚的插頭。無論插頭方向如何，插入插頭時相應的訊號都是匹配的。

圖1　USB-C插頭連接器(上方和下方)和插座(中間)的訊號分配，可看出將插頭旋轉180˚插入時，仍然可以獲得正確的訊號匹配　(圖片來源：Art Pini)

USB-C連接器內的訊號組如表1所示，包括兩個高速差分訊號通道，一個USB 2差分訊號路徑，以及電源和介面控制訊號，訊號組的填充顏色與圖1的相應連接器接腳訊號的顏色完全匹配，顯示了USB-C連接器在不同應用中的多功能性。高速差分訊號通道可以支援最高40Gbps的傳輸速率，並且可同時用於USB4和備用模式(Alternate-mode)及隧道協定(Tunneling Protocols)。

USB4支援的備用模式協定包括Thunderbolt、DisplayPort(DP)、行動高畫質連結(MHL)、周邊元件高速互連(PCIe)和高畫質多媒體介面(HDMI)。其他備用模式協定可以使用結構化的、供應商自訂的訊息(VDM)來發現和配置備用模式，透過USB PD協定握手(Protocol Handshake)來定義和啟用。

USB PD也允許裝置協商電源供電的功率水準，USB4支援的最大功率水準為100瓦特、20伏特、5安培(A)，實現這種能力可能需要可程式電源。電源控制和主動纜線則允許快速充電。裝置之間的供電合約(Power Contracts)使用配置通道(CC)線路以300kilobaud和半雙工模式，採用雙相標記編碼進行協商。

不同協定使用通用連接器可提供諸多優勢，使之可應用於音訊、視訊、資料儲存和資料通訊應用，也允許針對新開發的協定進行定義。

連接器的接腳分配布局符合人們常識印象，可提高訊號完整性。例如，高速和USB 2資料線路以差分方式減少串擾(Crosstalk)和EMI。此外，所有資料線路都在電源和接地匯流排或其他低頻寬訊號線路之間運行，以提供隔離性，而高速資料線路被設置在相對的兩側，以減少通道間的串擾。

USB4插座設計

根據標準，新的USB4連接器可向後相容，支援以前的USB版本，包括USB 2、3.1和3.2，但具有可旋轉的插頭和纜線方向，大幅增強USB使用體驗。以Amphenol CS的四種USB4 Gen3插座為例，其可達到標準要求的最高40Gbps資料傳輸率，且與USB PD相容，同時透過Thunderbolt介面在單個Type-C連接器中結合了電源充電、隧道USB和PCIe資料傳輸。這些連接器支援DisplayPort視訊和音訊，更新率為60赫茲(Hz)的4K超高畫質(UHD)。

除了上述標準協定的支援功能，USB4連接器的機械設計也將影響其支援功率和耐久性。例如，Amphenol CS的USB4插座旨在提供10,000次配接壽命，具有高耐用性和較少的插拔操作磨損。在導電路徑的設計中重點加入高品質的銅金屬合金，也確保了40毫歐姆(mΩ)的低損耗接觸電阻，以及擴展的5A電流額定值，使得USB供電輸送功率達到100瓦特。

此外，該連接器在中間板側壁進行了改進，擴大接觸面積並穩定接觸性能，使其無晃動(圖2)。增強的機械功能包括一個延伸的側壁板，該板延伸到插座舌片的一角，以防止非Type-C插頭的插入，如插入微型USB插頭。相同的側壁與中板一起接地，提供了額外的遮罩並減少了EMI。在內遮罩層上增加了凹痕，插入時會引導插頭並保持插頭體位置正確。整個機械元件提供了穩定的鎖定性能和與配接導體表面的最大重疊接觸面積，減少了接觸電阻。

圖2　Amphenol CS USB4插座的強化側壁設計　(圖片來源：Amphenol CS)

USB4 Type-C插座應用多元

USB4 Type-C插座將在儲存、汽車資訊娛樂、家庭娛樂、對接裝置、周邊介面(顯示器/顯示幕、投影機)以及其他消費性應用(如筆記型電腦)和平板電腦中找到用途。這些插座支援多種模式以及功率控制，實現了通用性。

以Amphenol CS的四個USB4 Type-C插座為例(圖3)，GSB4D313302Y1HR採用直角通孔安裝的頂部固定式插座，目前已通過USB-IF認證，並獲英特爾推薦用於Thunderbolt 4。其外殼具有前後一致的截面，中心高度為1.58毫米(mm)(從安裝平面到連接器舌片的距離)。12402056E512A和12402073E512A也是採用通孔安裝的頂部固定式插座，外殼為矩形，中心高度為1.57mm。12402075E512A則為中間固定式插座，中心高度僅為0.47mm，配置更加緊湊。上述插座的額定工作溫度範圍為-40°C至+85°C，因此適用於車載應用。