Hoe te voldoen aan de nieuwe USB4 Gen 3 Type-C eisen voor betrouwbaarheid en signaalintegriteit

De USB4-interface, met een maximale gegevensoverdrachtsnelheid van 40 gigabit per seconde (Gbits/s) over twee banen, legt extra druk op ontwerpers om te voldoen aan de eisen voor signaalintegriteit en elektromagnetische interferentie (EMI). Bovendien vereist het nu alomtegenwoordige gebruik van Type-C-connectors door meerdere gegevens- en weergaveprotocollen dat zij de beschikbare bandbreedte over hun onderlinge bussen delen. Ontwerpers moeten er ook zeker van zijn dat de connectors, net als alle USB4-componenten, gecertificeerd zijn door meerdere standaardorganisaties. Andere ontwerpuitdagingen zijn onder meer het beperken van het risico van mechanische schade als gevolg van een onjuiste plaatsing van de plug en de noodzaak van aanpassing aan eindproducten en gebruiksmodellen die een grotere robuustheid en meer geavanceerde functies vereisen.

De USB Type-C®-specificatie stelt connectorvereisten vast die tegemoetkomen aan de evoluerende behoeften van systemen en apparaten, terwijl de compatibiliteit met alle functionele voordelen van bestaande USB-vormen behouden blijft. In dit artikel worden de configuratie en kenmerken van de USB Type-C-connector toegelicht en wordt besproken voor welke toepassingen deze connector wordt gebruikt. Vervolgens worden USB4-gecertificeerde USB Type-C-connector receptacle-voorbeelden van Amphenol ICC geïntroduceerd die alle geavanceerde functies ondersteunen die in de specificatie worden beschreven, waaronder extra functies die zowel EMI verminderen als de betrouwbaarheid en mechanische integriteit van de connector verbeteren.

USB4 Gen 3 Type-C-connector

De USB Type-C-plugs en -receptacles zijn gespecificeerd door het USB Implementers Forum (USB-IF) in het document "USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0", dat betrekking heeft op USB4 over USB-Type-C-connectors en gratis beschikbaar is op de website van USB-IF.

De USB-C-connector heeft 24 pennen en biedt USB Power Delivery (USB PD), gegevensoverdracht, audio- en video-uitvoer in één connector. Het meest opvallende aan USB-C-connectors is dat ze omkeerbaar zijn; dat wil zeggen dat de plug in beide richtingen in de aansluiting kan worden gestoken - een eigenschap die zeer wordt gewaardeerd door gebruikers die problemen hebben gehad met het insteken van de oude USB-A connectors. Dit blijkt uit de signaaltoewijzingen voor de USB-C-plugs en -receptacles (Afbeelding 1).

De in Afbeelding 1 getoonde indeling van de middelste pen is die van de receptacle. Er worden twee oriëntaties van de plug getoond: de bovenste is voor de normale oriëntatie en de onderste toont de plug 180˚ gedraaid. Ongeacht de richting van de plug, worden de overeenkomstige signalen bij het insteken van de plug op elkaar afgestemd.

Afbeelding 1: De signaaltoewijzingen voor de USB-C-plug (boven en onder) en de receptacle (midden) bekeken in elk onderdeel, toont aan dat 180˚ draaien van de plug nog steeds resulteert in de correcte afstemming van de overeenkomstige signalen bij het insteken. (Bron afbeelding: Art Pini)

De signaalgroepen binnen USB-C connectors - gemarkeerd in Tabel 1, met bijpassende kleuren van de overeenkomstige connectorpinsignalen uit Afbeelding 1 - tonen de veelzijdigheid van USB-C connectors voor gebruik in diverse toepassingen. De snelle differentiële signaallanen kunnen overdrachtssnelheden tot 40 Gbit/s ondersteunen en worden gebruikt voor zowel USB4 als alternate-mode en tunneling protocollen.

Tabel 1: Een overzicht van USB4-connectorsignalen, waaronder twee snelle differentiële signaalbanen, een USB 2 differentiële signaalbaan, en voedings- en interfacecontrolesignalen. De vulkleuren van de signaalgroepen komen overeen met die van de overeenkomstige connectorpin-signalen in Afbeelding 1. (Bron tabel: Art Pini)

De protocollen voor alternatieve modi die met USB4 worden ondersteund, zijn onder meer Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), en High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Aanvullende alternatieve-modusprotocollen kunnen worden gedefinieerd en ingeschakeld via een USB PD-protocolhanddruk waarbij gestructureerde, door de vendor-defined messages (VDM) worden gebruikt om de alternatieve modi te ontdekken en te configureren.

Met USB PD kunnen apparaten ook onderhandelen over het stroomniveau dat door de bron wordt geleverd. USB4 ondersteunt een maximaal vermogensniveau van 100 watt bij 20 volt bij 5 ampère (A). Voor deze mogelijkheid kan een programmeerbare voeding nodig zijn. Stroomregeling en actieve kabels maken snel laden mogelijk. Over de stroomcontracten tussen de apparaten wordt onderhandeld via de lijn van het configuratiekanaal (CC), waarbij gebruik wordt gemaakt van bifase markeringcodering bij 300 kilobaud, half-duplex.

Er zijn veel voordelen verbonden aan het gebruik van een gemeenschappelijke connector voor al deze verschillende protocollen voor toepassingen op het gebied van audio, video, gegevensopslag en datacommunicatie. Het maakt het ook mogelijk nieuwe en opkomende protocollen te definiëren naarmate deze worden ontwikkeld.

De pintoewijzingen op de connector zijn logisch opgebouwd om de signaalintegriteit te maximaliseren. De hogesnelheids- en USB 2-datalijnen zijn bijvoorbeeld differentieel om overspraak en EMI te minimaliseren. Bovendien worden alle datalijnen tussen voedings- en aardingsbussen of andere signaallijnen met lage bandbreedte gelegd om voor isolatie te zorgen, en worden de hogesnelheidsdatalijnen aan weerszijden van de layout gelegd om overspraak van baan tot baan te minimaliseren.

Kenmerken van het Amphenol ICC USB4-contactdoosassortiment

Om de ontwerpuitdagingen van USB4 het hoofd te bieden, heeft Amphenol ICC vier USB4 Gen 3 receptacles geïntroduceerd die beter presteren dan de bestaande standaard. Het zijn connectoren van de volgende generatie die voldoen aan de hoge gegevenstransmissiesnelheden van de standaard, tot 40 Gbit/s, en die compatibel zijn met USB PD, waarbij de Thunderbolt-interface het opladen van stroom, USB-tunneling en PCIe-gegevensoverdracht combineert via één Type-C-connector. Deze connectoren ondersteunen ook zowel DisplayPort-video als -audio met 4K ultra high definition (UHD) bij een vernieuwingsfrequentie van 60 Hertz (Hz).

Een belangrijke USB4 eigenschap van deze connectors is hun vermogen om dynamisch de bandbreedte te optimaliseren tijdens de overdracht van video en data. Volgens de standaard zijn de nieuwe USB4-connectors achterwaarts compatibel en ondersteunen ze eerdere USB-versies, waaronder USB 2, 3.1 en 3.2, maar met draaibare plug- en kabeloriëntatie voor de sterk verbeterde USB-gebruikerservaring. De kleine afmetingen en functionele veelzijdigheid van de connectors maken ze ideaal voor integratie in opkomende technologieën.

Mechanisch ontwerp ondersteunt kracht en duurzaamheid

De Amphenol ICC USB4 receptacles zijn ontworpen voor uitstekende prestaties gedurende 10.000 paringscycli, waardoor ze zeer duurzaam zijn en minder slijtage vertonen door cyclisch gebruik. De focus op hoogwaardige koper-metaallegeringen in het ontwerp van de geleidende paden zorgt voor een verliesarme contactweerstand van 40 milliohm (mΩ), en een uitgebreide stroomclassificatie van 5 A voor USB-stroomlevering tot 100 watt.

De connectors maken gebruik van een verbeterde zijwand voor de middelste plaat die het contactoppervlak maximaliseert en de contactprestaties stabiliseert, waardoor deze niet meer wiebelt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het verbeterde zijwandontwerp van de Amphenol ICC USB4-receptacles zorgt voor "wiebelvrije" aansluitingen met betere EMI-bescherming en verbeterde mechanische bescherming tegen verkeerd insteken van de plug. (Bron afbeelding: Amphenol ICC)

De verbeterde mechanische kenmerken omvatten een verlengde plaat aan de zijkant die reikt tot de hoek van de receptacle om te voorkomen dat plugs van een ander type C, zoals de micro-USB-plug, kunnen worden ingestoken. Dezelfde zijwand is geaard met de middenplaat, wat zorgt voor extra afscherming en minder EMI. Toegevoegde kuiltjes op het binnenste schild geleiden de plug en houden de juiste positie van de plug tijdens het inbrengen. De gehele mechanische assemblage biedt stabiele vergrendelingsprestaties en een maximale overlapping van de contactoppervlakken van de bij elkaar passende geleidende oppervlakken, waardoor de contactweerstand tot een minimum wordt beperkt. Een sterke hoorbare klik zorgt voor een volledige inbrenging.

De Amphenol ICC-productfamilie

Er zijn vier USB4 Type-C-receptacles in het Amphenol ICC-productaanbod (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De Amphenol ICC USB4 Gen 3 Type C-receptacles bestaan uit drie top-mount versies en één mid-mount versie. (Bron afbeelding: Amphenol ICC)

De GSB4D313302Y1HR top-mount receptacle met montage onder een rechte hoek met doorlopende gat is momenteel gecertificeerd door de USB-IF en aanbevolen door Intel voor Thunderbolt 4-gebruik. De buitenmantel heeft van voor tot achter een gelijkmatige doorsnede met een centerhoogte van 1,58 millimeter (mm) (afstand van montagevlak tot connectortong).

De 12402056E512A en 12402073E512A zijn eveneens top-mount receptacles met doorlopende gat, maar zij hebben een rechthoekige buitenmantel met een centerhoogte van 1,57 mm. De normcertificering van deze receptacles is (op het moment van dit schrijven) in behandeling.

De 12402075E512A is een mid-mount receptacle met een centerhoogte van slechts 0,47 mm voor een compactere configuratie. Het maakt ook gebruik van doorlopend gat-montage. De certificering van deze houder is op dit moment eveneens in behandeling.

Al deze receptacles zijn geschikt voor een temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C, waardoor ze uitstekend geschikt zijn voor toepassingen in voertuigen.

USB4-connectortoepassingen

Deze receptacles zullen worden gebruikt voor opslag, infotainment in auto's, home-entertainment, docking, interfaces voor randapparatuur (monitor/display, projector) en andere consumententoepassingen zoals notebooks (laptops) en tablets. Hun geringe afmetingen, ondersteuning van meerdere modi en vermogensregeling zorgen voor een enorme veelzijdigheid.

Conclusie

De USB Type-C-connector, die meerdere hogesnelheidsprotocollen en energieniveaus aankan, zal meer toepassingen vinden naarmate gebruikers snellere gegevensoverdracht, sneller opladen en een eenvoudigere connector zoeken. Met USB4 krijgen gebruikers alternatieve modi en ondersteuning voor tunneling. Deze verbeteringen zullen zorgen voor een bredere toepassing van USB4 in meer gevarieerde en mogelijk ruwere omgevingen en toepassingen. Om ontwerpers te helpen hiermee rekening te houden, zijn de Amphenol ICC USB4 receptacles ontworpen om de basis USB-IF specificatie te overtreffen, de effecten van EMI te beperken en goede verbindingen te garanderen over vele cycli en brede temperatuurbereiken.