USB4 規範出爐！UL 解析線纜設計、測試及失效的挑戰
本文作者為 UL 台灣 USB, DP, ThunderboltTM 認證審核工程師 胡懿存
內容亦投稿刊載在新通訊雜誌 2020 九月號
2019年USB-IF協會宣布推出USB 4.0TM規範，未來攜帶型的電子產品只要使用USB4TM的技術，就無需再另外開孔支援其他技術，可達到節省成本及減小體積的目的，也能讓周邊設備發揮更高速的傳輸速度。然而，新的USB 4.0TM規範對於線纜的設計製造與認證將帶來什麼樣的挑戰，國際安全科學機構UL藉由文章一一剖析。
隨著科技的日益發展，3C產品的使用便利性與相容性也與日俱增，自2000年USB-IF協會發表了USB 2.0後，便開啟了資料傳輸介面統一的革命，USB-IF協會持續在2008及2013年分別發布USB 3.0及USB 3.1後，在2019年正式公布USB4.0TM的相關訊息。
目前雖然USB-IF協會初步釋放USB4TM線纜和連接器標準及需求 (需求頻寬15GHz，測試頻寬20GHz)，相較於之前USB3.2的特性要求更加嚴格。以線纜而言，分為主動式(Active)及被動式(Passive)，兩者差異在於主動式線纜透過晶片，將訊號放大或是重新編碼，相對的被動式線纜沒有晶片處理訊號，只依靠本身線纜傳輸，在使用長度上會有很大的差異，但對於線纜的設計差異不大。
線纜的設計、品質及穩定是基本關鍵
USB-IF協會針對主動式線纜晶片分兩種，依目前晶片廠的設計，Re-timer設計相較於Re-driver困難及複雜得多，兩者之間的差異在於Re-driver單純將訊號放大，而Re-timer是將訊號重構訊號，再將訊號發送出去，可想而知Re-timer晶片設計成本是高於Re-driver，目前傳輸方式還是以光及銅導體為主，不管是主動式或是被動式線纜，都須符合Type-C連結器的規範需求，如《表一》所示。
《表一》 USB4TM主動式線纜要求
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USB4TM主動式線纜 |
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| 特徵 | Re-driver | Re-timer |
| 通道數 | 需支援2通道 | |
| USB2.0 | 被動式連接 | |
| USB 充電 “Communication” | 需支援 | |
| Ground及Vbus 功能 | 需支援 | |
| 主動式線纜功率 | 1通道晶片消耗最大功率最大1.0瓦
2通道晶片消耗最大功率1.5瓦 |
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| 替代模式 | 選用 | |
不管是主動式或是被動式線纜，都是將訊號放大或是重組訊號，因此線纜的設計、品質及穩定性扮演著非常重要的角色，目前使用銅導體傳輸結構有三種：同軸線、對絞線及併線，其中就以極細同軸線結構最為普遍應用於USB Type-C，其優點在於體積小，但其連結器上的加工卻是最大的挑戰，相較之下對絞線的加工容易許多。
高速訊號線設計的挑戰
目前USB-IF協會釋出USB4.0TM衰減需求，若使用符合被動式線纜USB3.2 Gen2使用長度1米同軸線，如下《圖一》所示，無法滿足USB4TM需求須縮短使用長度，以主動式線纜而言，雖然訊號透過晶片放大能增加長度，相對的雜訊干擾也會放大，所以主動式線纜製程的穩定性相較於被動式線纜重要，訊號透過纜線傳輸至晶片時，若線纜品質不穩定，特性會有非常大的差異，要做到每一條線材品質相同，這無疑是對電線廠製程工藝及管理最大的挑戰。
《圖一》 同軸線與USB4TM衰減
在高速訊號線設計裡，不僅僅是要考量使用長度及特性需求，還需要考量客戶加工手法以及產品的耐用性。
我們以最廣泛的結構運用在USB4.0TM同軸線來說，如《表二》所示，同軸線的設計及製程就已決定特性及品質的好壞，成纜、編織以及外被押出對於同軸線來說，都是損耗，所以在各製程的機台選擇、參數設計及製程能力都是需加以驗證及設計。
《表二》 電氣特性需求項目及關鍵設計
| 特性 | 關鍵設計 |
| 阻抗 | 芯線設計、絕緣材料介質、遮蔽材料設計 |
| 衰減 | 導體設計、製程損耗 |
| 耦合 | 遮蔽材料設計 |
| 延遲 | 絕緣材料介質 |
| 偏移 | 芯線設計、成纜設計 |
| 差分訊號轉共模訊號 | 所有製程設計 |
加工廠加工方式也會直接或間接的影響同軸線的生產，大多數加工廠使用光學鏡頭對焦及雷射切割，則芯線顏色就會是製程穩定性的考量；遮蔽材料的包覆也會影響加工的便利性，另外加工時導體及絕緣長度會直接影響所有特性。
USB相關線材及連接器認證
針對USB相關的線材及連接器認證測試可分為四個部分：機械性測試、環境測試、效能測試、電性測試。
- 機械性測試：包含Mating/Un-Mating Force、Durability、4-Axis Continuity等，確保產品的機械性夠強韌，足以負荷消費者的各種使用情況。
- 環境測試：包含Temperature Life、Thermal Shock、Cyclic Temp. & Humidity、Mixed Flowing Gas等，確保產品能在多種條件的環境下使用。
- 效能測試：包含Attenuation、Skew、Insertion Loss、Attenuation等測試，主要目的在了解產品的信號傳輸品質，確保產品能正常傳輸高速信號。
- 電性測試：包含LLCR、Capacitance、Withstand Voltage、Insulation Resistance，除了了解產品的品質，也可以確保在高電力傳輸下不會造成產品損壞，保障使用者安全。
《表三》 USB線材及連接器認證測試項目
| Test Capabilities | ||
| Mechanical
Ø Mating/Un-Mating Force Ø Durability Ø 4-Axis Continuity |
Environmental
Ø Temperature Life Ø Thermal Shock Ø Cyclic Temp. & Humidity Ø Mixed Flowing Gas |
Electrical
Ø LLCR Ø Capacitance Ø Withstand Voltage Ø Insulation Resistance |
| Ø Attenuation
Ø Inter-Pair Skew Ø Intra-Pair Skew |
Performance
Ø Insertion Loss Ø Return Loss Ø Eye-Diagram |
Ø Impedance
Ø Cross-Talk Ø Shielding Effectiveness |
針對Power Delivery，協會也訂出兩本MOI來規範產品需要進行的認證測試，分別為： 1.Deterministic MOI 2. Communication Engine MOI，用來確保PD的功能有被正確的使用，在高功率的電源傳輸模式下不會造成任何危險。
而Type-CTM在不支援PD的情形下本身可提供5V/3A的電力，也讓許多供應商拿來發展電源供應裝置，因此協會定義出一種產品歸類為Power Brick，凡是充電裝置帶有Type-CTM母座或是Type-CTM Captive Cable公頭，經過認證測試後即可以被認證為Power Brick，並使用Charger的標誌。
USB4終端產品
USB4在終端產品的定義上普遍被認為是Thunderbolt 3的進階版本，但從下列規格可看出Thunderbolt3僅是USB4中所涵蓋的其中一項功能，因此無法以現行的TBT3測試規範來驗證USB4的產品。
《表四》 USB4規格版本
| USB4 | Version | Date |
| USB4 Electrical Compliance Specification | Rev 1.0 | 2020/7/15 |
| USB4 Interoperability Test Procedure | Rev 1.0 | 2020/7/15 |
| Logical Layer | Rev 1.0 | 2020/6/24 |
| Protocol | Rev 1.0 | 2020/5/29 |
| TMU | Rev 0.9 | 2020/5/6 |
| H2H Tunneling | Rev 1.0 | 2019/12/10 |
| USB 3 Tunneling | Rev 1.0 | 2020/6/25 |
| DP Tunneling | Rev 0.7 | 2020/5/28 |
| PCIe Tunneling | Rev 1.0 | 2020/6/25 |
| TBT3 Compatability | NA | NA |
USB4在連接介面僅採用USB Type-CTM當作唯一的連接器，在傳輸速率上從USB3.2 Gen2x2的20Gbps提升至USB4 Gen3x2的40Gpbs，電源供應能力支援PD 3.0可最高到100W(20V@5A)，支援影音傳輸規格DP1.4等功能，使得USB4的技術應用趨近完美且多工，當攜帶型的裝置使用了USB4的技術後，便無需再另外開孔支援其他技術，可達到節省成本及減小體積的目的。
《表五》 USB規格規範
| USB2.0 | USB3.2 | USB4 | ||||||
| Code Name | 1.0 | 1.1 | 2.0 | Gen 1 | Gen 2X1 | Gen 2X2 | Gen 3 | |
| Data Rate | 1.5Mbps | 12Mbps | 480Mbps | 5Gbps | 10Gbps | 20Gbps | 20/40 Gbps | |
| Power Capability | BC1.2 5V@1.5A | Type-CTM only: 5V@3A
PD Supported: 20V@5A |
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| Interface | Mini / Micro / A / B / Type-C® | A / Type-C® | Type-C® | |||||
測試複雜程度更甚以往
USB4終端的認證測試則是預計在2021上半年開放，測試的需求將如《圖2》中的Testing Matrix規範，測試複雜程度將遠超過歷代的USB規範，也較TBT3測試時間耗時，現階段USB-IF會以USB4的controller驗證為主，待晶片在USB-IF的實驗室驗證完成後，預計將會推出部分Golden Sample，屆時才能有能力進行完整的認證測試，一般推估在2020 Q4會有USB4的Controller推出，2021年上半年能有驗證終端產品的能力。
《圖2》 USB4測試需求規範
透由第三方解鎖認證要求
為解決高速電纜的安全隱憂與測試需求，國際安全科學機構UL除了對此發布高速傳輸數據電力線纜的安全標準UL 9990， 亦透由客製化課程內容，提供全面性電纜設計服務，可以實際案例來進行實作教學，也可協助產線設計，達到品質管控，相關提供的課程內容包括：
- USB4TM實務設計及製程管控：內容包括線材及生產設計、品質追蹤
- 光纖原理介紹與實務設計：設計、設備及品質驗證
- 產線規畫：設備製程能力研究及品質追蹤
- 電纜安規設計：UL9990 設計
由於協會目前尚未開放USB4認證，UL能提供Cable及Connector的預測試服務，而終端產品的部分，UL亦能針對Phy的部分進行驗證，協助客戶在認證開放前完成產品設計規畫。
UL與USB協會合作創造安全的USB使用環境
UL的使命是致力於創造一個更安全的世界，因此自2016開始便積極與USB-IF協會合作，於2016年下半年成為協會認可的測試實驗室(ITL: Independent Test Labs )，協助USB-IF協會進行線材及連接器認證測試，管控市場上的商品，近年持續擴大測試實驗室與相關高速線纜的測試能力，全力把關未來高速線纜的安全與測試發展。
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