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

 

USB4TM主動式線纜

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
GroundVbus 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

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

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。

ULUSB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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