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USB Type-C规格与测试要点
2014 2014-11-24

USB发展历史

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。

世代 最大传输 USB世代名称 供电能力 推出时间
USB 1.0 1.5 Mbps Low Speed 500 mA 1996年1月
USB 1.1 12 Mbps Full Speed 500 mA 1998年9月
USB 2.0 480 Mbps High Speed 500 mA 2000年4月
USB 3.0 5 Gbps Super Speed Gen1 900 mA 2008年11月
USB 3.1 10 Gbps Super Speed Gen2 900 mA 2013年8月

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。

 

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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。

 

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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.

 

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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。

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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)。

 

表2- Type-C板端连接器与标准Type-C线缆高频测试要求

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:

 

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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,欧盟也将在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。目前在市场上尚未出现已搭配USB 3.1端口的装置,但按照以往USB规格普及的速度,相信不久的未来,消费者们就可以见识并体验到USB Type-C带来的便利。

百佳泰为USB-IF正式授权的USB 3.0全Hub装置种类的认证测试(USB 3.0 Full Hub Category)实验室,可针对SuperSpeed Hub相关产品进行USB 3.0标准认证测试服务。除了提供USB不同规格版本的线缆与连接器完整相符性认证测试,百佳泰的线缆与连接器实验室亦能针对各式不同技术规格的线缆与连接器如HDMI连接器,以及DisplayPort、MHL、SATA等,提供包括高频讯号、机械特性、电气性能、及环境变化等类别的精密测试与验证。更多相关信息,欢迎洽询百佳泰service@allion.com

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