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USB Type-C插拔力测试要点

USB的全名为Universal Serial Bus, 最初是由英特尔与微软公司倡导发起,其最大的特点是支持热插入(Hot plug)和即插即用(Plug&Play;PnP)。当装置插入时,主机端寻找到此装置并加载所需的驱动程序,因此使用上远比其他总线方便。

USB 速度比并列埠(Parallel Port)与串行埠(Serial Port,如 RS-232)等传统计算机用标准总线快上许多。原标准中USB 1.1 的最大传输带宽为 12Mbps,USB 2.0 的最大传输带宽为 480Mbps。2008年推出的USB 3.0更从480Mbps提升到4.8Gbps以上。近期发表的USB 3.1的最大传输带宽更是USB 3.0的两倍高达10Gbps。请参阅表1 USB发展历史。

USB Type-C插拔力测试要点 (图1)

表1:USB发展历史

号称接口之王的USB,已经在电子业界立下无法取代的地位。相信没有人可以准确的说出全世界有存在多少USB端口。分析师说,估计每年至少有超过20亿个拥有USB端口的装置出货,这个数字可以说是相当惊人的。表1:USB发展历史

回顾USB的发展史,USB 1.0规范于1996年刚确立时,其实难以吸引外围与装置制造商的青睐,因为USB 1.0规范只定义了1.5 Mbps的传输速度,在数据通信上难以实现使用者所需要的效率。而在当时的Fast SCSI,已经能支持到10 Mbps的范围。甚至当时另一热火的IEEE 1394a传输界面(苹果计算机称为Firewire),传输速度也高达400 Mbps。于是为了提升竞争力,英特尔在2000年的时候推出了USB 2.0 HS(High Speed),传输提高至480 Mbps。图1为USB 2.0 High Speed Logo。

USB Type-C插拔力测试要点 (图2)

图1:USB 2.0 High Speed Logo(图来自USB.org)

USB在2008年公布了USB 3.0的规范,传输速度高达5 Gbps。到了USB 3.0的时代,被称为SS(Super Speed)。从推出至今,USB 3.0已经成为最普及的主流接口,充分的被运用在各式外接市场上,如:外接式硬盘、固态硬盘(SSD)、DVD播放器…等。图2为USB 3.0 Super Speed Logo。

USB Type-C插拔力测试要点 (图3)

图2:USB 3.0 Super Speed Logo(图来自USB.org)

USB的重大变革─Type-C推出

面对其他高速接口的挑战,USB到了2013年也推出USB 3.1新规格,支持高达10 Gbps的传输速度,并更名为USB 3.1 Super Speed Gen 2,而原本支持 5 Gbps的USB 3.0则称为USB 3.1 Super Speed Gen 1。图3为USB 3.1 Super Speed Gen 2 Logo.

USB Type-C插拔力测试要点 (图4)

图3:USB 3.1 Super Speed Gen 2 Logo(图来自USB.org)

Type-C规格于2014年8月公告,虽然被包含在USB 3.1的规格里,但是其实Type-C仍然有USB 2.0的规格。下列为Type C四大特点:

1. 较小的尺寸:在尺寸上与现有USB 2.0 Mirco-B相似。

2. 电源充电:Type-C将支持更高的电源充电能力。

3. 可扩展性:Type-C的设计将支持未来USB的性能。

4. 可用性:支持正反面都可插入,使用者将不再需要分辨正反面,更容易将接口插入。

Type C最终版的尺寸约8.4mm x 2.6mm,比USB 2.0的Micro-B稍大。其充电能力本身支持到15W,同时也支持USB Power Delivery规格,最高将支持到100W的供电能力。在传输速度上,除了支持现有USB 3.1 Super Speed Gen 2的10 Gbps之外,也预期将能支持到后续更高的传输速度(如USB 4)。使用上支持正反可插(如苹果计算机的Lightning接口),更可扩大适用于平板电脑、智能手机等轻薄型便携设备,因此格外受到市场期待。

Type-C的连接器设计,与以往的USB连接器有很大不同,采用了上下排同时存在端子的型式。板端的连接器(Receptacle)只有唯一的一种型式,为24支端子的设计。在板端连接器的界面上,则有Vertical、Right Angel、Mid-Mount等形式。端子脚的形式也分别有Dual-Row SMT、Hybrid等形式。而在线端的连接器(Plug)则有两种设计,分别为支持高传输速度的Full Featured版本与USB 2.0版本两种。由于Type-C为上下排端子设计,因为在线缆加工上,必须在Plug尾端进行Paddle Card连接,芯线才加工在Paddle Card上。同时协会也定义了,若Type-C线缆要支持3A以上的供电能力时,必须有USB Type-C Electronically Marked来注记。在线缆规格的部份,主要有下列三大项:

1. 标准Type-C线缆

2. 传统USB线缆

3. 传统USB转换器

标准Type-C线缆中,有USB Full Featured Type-C线缆与USB 2.0 Type-C线缆两种规格。

传统USB线缆中,有分USB 3.1与USB 2.0两种规格。USB 3.1规格中定义了:USB Type-C to USB 3.1 A线缆、USB Type-C to USB 3.1 B线缆、USB Type-C to USB 3.1 Micro-B线缆等3款。USB 2.0规格里头定义了:USB Type-C to USB 2.0 A线缆、USB Type-C to USB 2.0 B线缆、USB Type-C to USB 2.0 Mini-B线缆、USB Type-C to USB 2.0 Micro-B线缆等4款。

传统USB转换器中,有USB Type-C to USB 3.1 Receptacle转换器与USB Type-C to USB 2.0 Micro-B Receptacle转换器两种。图4为Type-C Plug外形。

USB Type-C插拔力测试要点 (图5)

图4:Type-C Plug外形(图来自Type-C 1.0规格)

在测试规格上,Type-C的测试有下列几项主要的要求:

1. 结构测试:Type-C主要应用在手持装置上,所以与USB Micro-B一样,需要耐插拔1万次的高寿命。插入力与拔出力也与原始USB其他Type有所不同,Type-C的插拔力为5~20N,拔出力为8~20N。同时必须进行线缆弯曲试验与线缆拔出试验,如Micro-B一样,Type-C也必须进行4轴向测试。

2. 电气测试:在低阶额定电阻(LLCR)的测试上也有改变,初始值从原本的30mΩ变成40mΩ。除此之外,Type-C必须进电流温升测试,在Vbus端子给予5A的电流,且在Vconn端子给予1.25A的电流,温度的变化量不能超过30ºC。

3. 环境测试:与USB 3.0要求相同,遵照EIA 364-1000.01规范运行环境测试。

4. 电镀要求:与USB 3.0要求相同。

5. 高频测试:Type-C的规范与以往USB规范最大不同处,在于Type-C针对板端连接器也定义出一连串的高频测试要求,Type-C板端连接器与标准Type-C线缆高频测试要求如表2(传统USB线缆的测试要求则不同)。

USB Type-C插拔力测试要点 (图6)

表2:Type-C板端连接器与标准Type-C线缆高频测试要求

上述的高频测试完成后,还有5项参数必须透过USB协会所公告的公式进行换算,才能得知此Type-C线缆是否符合协会的要求:

1. ILfitatNq(Insertion Loss fit at Nyquist frequency)

2. IMR(Integrated Multi-Reflection)

3. INEXT(Integrated Near-end Crosstalk)

4. IFEXT(Integrated Far-end Crosstalk)

5. IRL(Integrated Return Loss)

有鉴于各测项上皆涉及精密的高频讯号、机械特性、电气性能以及环境变化等类别的测试与验证,厂商在认证测试时亟需专业实验室的协助与咨询。协会正式授权的实验室能够提供专业的技术支持及设备仪器,以完整重现这些产品在真实世界中可能遭遇的种种状况,并指出问题风险所在,确保产品符合质量要求、完美展现功能需求。

因为USB 3.1开始要求到10 Gbps的传输速度,所以在线材屏敝(Shielding Effectiveness Requirements)问题上也格外受到重视。线材屏敝的好坏将影响到EMI与RFI,所以USB协会针对线材屏敝的测试也定义了严谨的测试要求,如图5所示为线材屏蔽设测环境:

USB Type-C插拔力测试要点 (图7)

图5:线材屏蔽设测环境(图来自Type-C 1.0规格)

Type-C的后续发展

Type-C的发展始终受到业界观注,欧盟也在2017年统一所有手机充电器的规格,并要求在手持装置上的连接器必须一致。目前充电接口还未采用USB规格的苹果阵营格外受到关注,而这就是为何市场分析师预期Type-C将能在iOS与Android两大阵营的大力支持下,加速切换的脚步,启动新一代USB接口规格世代交替潮。

另一个Type-C连接器的主要目标,是希望能取代现有的USB 2.0 Micro-B连接器,做为各式行动装置的标准传输线规格。过去USB 2.0 Micro-B连接器,被许多智能型手机等行动装置采用,但到了USB 3.0时代,虽然传输速度大幅提升,但碍于USB 3.0 Micro-B连接器的宽度超过USB 2.0的两倍,对于轻薄化要求高的智能型手机而言太宽,因此少有智能型手机大厂采用USB 3.0 Micro-B连接器。USB协会希望能透过推出新一代Type-C连接器,来统一行动装置的传输线规格。期望Type-C能成为所有装置在数据、电力、影音传输上都可通用的唯一接口标准。

唯一可惜之处是,USB Type-C与现行USB端口并不兼容,若是在旧有的手机或是计算机上使用,得配上转换器才可使用。

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