Uusien USB4 Gen 3 Type-C ‑liitäntöjen luotettavuuteen ja signaalin eheyteen liittyvien vaatimusten täyttäminen

USB4-rajapinnan tiedonsiirtonopeus on jopa 40 gigabittiä sekunnissa (Gbit/s) kahta kaistaa pitkin, joten suunnittelijoiden täytyy nyt huolehtia signaalin eheyteen ja sähkömagneettisiin häiriöihin (EMI) liittyvien vaatimusten täyttymisestä entistäkin paremmin. Type-C-liittimet ovat yleistyneet nopeasti erilaisissa data- ja näyttöprotokollissa, joissa käytettävissä oleva kaistanleveys jaetaan väylien kesken. Suunnittelijat haluavat myös olla varmoja siitä, että liittimillä on kaikkien USB4-komponenttien tapaan useiden standardointijärjestöjen hyväksyntä. Suunnittelun haasteisiin kuuluvat myös liittimen virheellisestä asettamisesta aiheutuvien mekaanisten vaurioiden riskin välttäminen sekä tarve mukautua yhä parempaa kestävyyttä ja edistyneempiä ominaisuuksia vaativiin lopputuotteisiin ja käyttötapoihin.

USB Type-C® ‑spesifikaatiossa määritellyt liitäntävaatimukset vastaavat järjestelmien ja laitteiden kehittyviin tarpeisiin säilyttäen samalla aiempien USB-muotojen toiminnalliset edut. Tässä artikkelissa selitetään USB Type-C ‑liittimen konfigurointi ja ominaisuudet sekä sen sovelluksia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Amphenol ICC:n USB4-sertifioituja USB Type-C ‑liittimiä, jotka tukevat spesifikaation kaikkien kehittyneiden ominaisuuksien lisäksi esimerkiksi EMI-häiriöitä vähentäviä ja liittimen luotettavuutta ja mekaanista eheyttä parantavia lisätoiminaisuuksia.

USB4 Gen 3 Type-C ‑liitin

USB Implementers Forum (USB-IF) on määritellyt USB Type-C ‑liittimet ja niiden vastakappaleet dokumentissa ”USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0”, joka kattaa USB4-protokollan käytön USB- Type-C ‑liittimissä. Spesifikaatio on saatavana veloituksetta USB-IF:n verkkosivustolta.

USB-C-liittimessä on 24 nastaa. Sen kautta USB Power Delivery (USB PD), data, ääni ja video kulkevat kaikki yhdessä ja samassa liittimessä. USB-C-liittimistä kannattaa huomata ensiksikin se, että ne ovat symmetrisiä: liittimen voi asettaa liitäntään kummin päin tahansa. Käyttäjät arvostavat tätä ominaisuutta vanhojen USB-A-liittimien liitosvaikeuksien jälkeen. Ominaisuus on nähtävissä tarkasteltaessa USB-C-liittimien ja niiden vastakappaleiden signaalimäärityksiä (kuva 1).

Kuvassa 1 on keskimmäisenä esitetty naarasliittimen nastajärjestys. Urosliittimelle on näytetään kaksi nastajärjestystä: ylimmässä kuvassa liitin on normaalissa asennossa ja alimmassa se on käännetty 180˚. Signaalikytkennät vastaavat toisiaan liittimen asennosta riippumatta.

Kuva 1: USB-C-liittimen (ylin ja alin kuva) sekä vastakappaleen (keskellä) signaalit komponentin ulkoa päin katsottaessa. Kuvasta käy ilmi, että kytkennät vastaavat toisiaan, vaikka liitintä käännettäisiin 180˚. (Kuvan lähde: Art Pini)

USB-C-liittimen signaaliryhmät, jotka on esitetty taulukossa 1 kuvan 1 nastasignaaleja vastaavine väreineen, osoittavat USB-C-liittimien monipuolisuuden erilaisissa sovelluksissa. Erittäin nopeat differentiaaliset signaalikaistat tukevat jopa 40 Gbit/s siirtonopeuksia ja niitä käytetään sekä USB4-protokollassa että Alternate Mode ‑tilassa ja tunneloinnissa.

Taulukko 1: yhteenveto USB4-liittimen signaaleista. Liittimessä on kaksi erittäin nopeaa, differentiaalista signaalikaistaa, differentiaalinen USB 2 ‑signaalireitti sekä virransyöttö ja rajapinnan ohjaussignaalit. Signaaliryhmien värit vastaavat kuvassa 1 esitettyjä liittimen nastasignaaleja. (Taulukon lähde: Art Pini)

USB4:ssä tuettuja Alternate Mode ‑protokollia ovat Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) ja High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Muita Alternate Mode ‑protokollia voi määritellä ja ottaa käyttöön USB PD ‑protokollan kättelyssä strukturoiduilla VDM-sanomilla ja Alternate Mode ‑tilat määrittämällä.

USB PD ‑spesifikaatiossa laitteet voivat myös neuvotella teholähteen toimittamasta tehotasosta. USB4 tukee enintään 100 watin tehotasoa 20 voltin jännitteellä ja 5 ampeerin (A) virralla. Ominaisuuden käyttö voi vaatia ohjelmoitavan teholähteen käyttöä. Lataus on nopeaa tehon ohjauksen ja aktiivisten kaapelien ansiosta. Laitteiden väliset tehosopimukset neuvotellaan konfigurointikanavalinjalla (CC) käyttäen kaksivaiheista merkkikoodausta 300 kilobaudin vuorosuuntaisella yhteydellä.

Yhteisen liittimen käyttö eri protokollille tuottaa monia etuja audio-, video-, datan tallennus- ja dataliikennesovelluksissa. Sen avulla voidaan myös määritellä uusia protokollia sitä mukaa kun niitä kehitetään.

Liitinnastamäärityksissä käytetään järkevää asettelua, jolla maksimoidaan signaalin eheys. Esimerkiksi nopeat ja USB 2 ‑datalinjat ovat differentiaalisia, jotta ylikuulumista ja EMI-häiriöitä esiintyisi mahdollisimman vähän. Lisäksi kaikki datalinjat kulkevat teho- ja maadoitusväylien tai muiden pienen kaistanleveyden signaalilinjojen välissä toisistaan erillään. Nopeat datalinjat on sijoitettu asettelussa vastakkaisiin laitoihin kaistojen välisen ylikuulumisen minimoimiseksi.

Amphenol ICC USB4 ‑naarasliitintuotteiden ominaisuudet

Amphenol ICC on vastannut USB4-suunnitteluhaasteisiin neljällä USB4 Gen 3 ‑vastakappaleella, joiden ominaisuudet ylittävät nykyisen standardin tason. Nämä seuraavan sukupolven liittimet täyttävät standardin korkeita datasiirtonopeuksia (jopa 40 Gbit/s) koskevat vaatimukset ja ovat yhteensopivia USB PD ‑spesifikaation kanssa. Thunderbolt-rajapinta yhdistää latauksen, USB-tunneloinnin ja PCIe-datasiirron yhteen ja samaan Type-C‑liittimeen. Liittimet tukevat myös DisplayPort-videota ja audiota 4K ultra high definition (UHD) ‑resoluutiolla ja 60 hertsin (Hz) virkistystaajuudella.

Näiden liittimien yksi tärkeä USB4-ominaisuus on niiden kyky optimoida kaistanleveyttä dynaamisesti videon ja datan siirron aikana. Standardi edellyttää uusilta USB4-liittimiltä yhteensopivuutta taaksepäin siten, että ne tukevat aiempia USB-versioita, kuten USB 2, 3.1 ja 3.2. USB:n käyttökokemusta parantavat kuitenkin molemmin päin käytettävä liitin ja kaapelijärjestys. Liittimet soveltuvat pienen kokonsa ja monipuolisten toimintojensa ansiosta ihanteellisesti uusin teknologioihin.

Mekaaninen muotoilu tukee tehoa ja kestävyyttä

Amphenol ICC USB4 ‑liittimet on suunniteltu kestämään peräti 10 000 liitossykliä, joten ne ovat erittäin kestävä ratkaisu sykliseen käyttöön. Keskittyminen laadukkaisiin kuparimetalliseoksiin johtavissa reiteissä varmistaa pienihäviöisen 40 milliohmin (mΩ) kosketinresistanssin, ja laajennettu 5 A:n nimellisvirta sallii jopa 100 watin tehonsyötön USB-liitännän kautta.

Liittimien keskilevyn sivuseinämää on kehitetty tekemällä kosketuspinnasta mahdollisimman suuri. Kontaktit on samalla vakautettu heilumattomiksi (kuva 2).

Kuva 2: Amphenol ICC USB4 ‑naarasliitinten parannettu sivuseinämalli poistaa kytkennöistä heilunnan, vähentää EMI-häiriöitä ja parantaa mekaanista suojausta liittimen virheellistä kytkemistä vastaan. (Kuvan lähde: Amphenol ICC)

Mekaanisia ominaisuuksia on parannettu mm. ulottamalla sivuseinämälevy naarasliittimen kieleen saakka. Tällä estetään muiden kuin Type-C-liittimien (esimerkiksi micro-USB-liittimen) työntäminen liitäntään. Sivuseinämä on lisäksi maadoitettu keskilevyn kanssa, mikä parantaa suojausta ja vähentää EMI-häiriöitä. Sisempään suojan ohjaimeen lisätyt syvennykset ohjaavat liitintä ja varmistavat liittimen rungon pysymisen oikeassa asennossa liittämisen aikana. Mekaaninen kokoonpano varmistaa lukituksen ja johtavien pintojen maksimaalisen kosketuspinnan pitäen samalla kosketinresistanssin mahdollisimman pienenä. Voimakas naksaus vahvistaa, että liitin on kytketty.

Amphenol ICC ‑tuoteperhe

Amphenol ICC ‑tuotevalikoimaan kuuluu neljä USB4 Type-C ‑naarasliitintä (kuva 3).

Kuva 3: Amphenol ICC USB4 Gen 3 Type C ‑naarasliittimissä on kolme pirilevyn päälle ja yksi piirilevyn tasolle asennettava versio. (Kuvan lähde: Amphenol ICC)

Levyn päälle suorassa kulmassa läpiasennettavalla GSB4D313302Y1HR-naarasliittimellä on USB-IF-sertifiointi ja Intel suosittelee sen käyttöä Thunderbolt 4:n kanssa. Sen ulkokuoren poikkileikkauksen muoto on sama koko liittimessä etuosasta takaosaan ja keskikohdan korkeus on 1,58 millimetriä (mm) (asennustasosta liittimen kieleen).

Myös 12402056E512A ja 12402073E512A ovat levyn päälle läpiasennettavia naarasliittimiä, mutta niiden ulkokuori on suorakaiteen muotoinen ja keskikohdan korkeus on 1,57 mm. Näiden naarasliittimien standardeihin perustuva sertifiointi on tämän artikkelin kirjoitushetkellä kesken.

12402075E512A on pienempiin kokoonpanoihin sopiva piirilevyn tasolle asennettava naarasliitin, jonka keskikohdan korkeus on vain 0,47 mm. Myös se on läpiasennettava, ja sen sertifiointi on tällä hetkellä kesken.

Kaikkien näiden naarasliittimien luokiteltu käyttölämpötila-alue on -40 ... +85 °C, joten ne sopivat hyvin myös ajoneuvosovelluksiin.

USB4-liitinsovellukset

Nämä naarasliittimet soveltuvat käytettäväksi esimerkiksi tallennuksessa, autoteollisuuden infotainment-laitteissa, kotiviihdelaitteissa, oheislaitteissa (monitorit, näytöt, projektorit) sekä muussa kuluttajaelektroniikassa, kuten kannettavissa tietokoneissa ja tableteissa. Ne ovat pienen kokonsa, useiden tilojen tuen ja tehonhallinnan ansiosta erittäin monipuolisia.

Yhteenveto

Useita nopeita protokollia ja eri tehotasoja tukevan USB Type-C ‑liittimen käyttö yleistyy kuluttajien halutessa nopeampaa datasiirtoa ja latausta sekä helppoa liittämistä. USB4 tarjoaa Alternate Mode ‑tilat ja tunneloinnin. Nämä parannukset varmistavat USB4-protokollan laajan käyttöönoton myös monissa mahdollisesti vaikeammissa ympäristöissä ja sovelluksissa. Amphenol ICC USB4 ‑naarasliittimet on suunniteltu ylittämään USB-IF-perusspesifikaation vaatimukset. Ne auttavat suunnittelijoita vähentämään EMI-häiriöiden vaikutuksia ja varmistamaan toistuvat laadukkaat liitännät laajalla lämpötila-alueella.