技术文库

高速连接器发展趋势与质量检验重点
2017 2017-02-20

概况

在通讯产业蓬勃发展之下,各式电子产品持续追求更佳的传输质量与及时性并提供多元化应用,这些需求促使讯号传递速度持续朝高速发展。为了提升讯号传递速度以及缩短用户的等待时间,除改变讯号编码方式外,降低讯号位准(signal level)亦或是提供全双功的传输模式都成为改良的手段;为达到此一目标,各组件或装置之间对于减少讯号衰减与失真以及避免噪声干扰的要求大幅提升。因此,作为沟通桥梁的连接器也无法幸免,其对于传输讯号质量与速度的影响也日趋受到重视。以数据传输为例,从早期USB 1.0的最大传输速度为12 Mbps,到了USB 2.0 时最大传输速度为480 Mbps、在USB 3.0(SuperSpeed USB)更提升到5 Gbps,最近相当热门USB 3.1 Gen 2 更一口气将传输速度提高到10 Gbps,其通讯模式也从半双功提升至全双功,以满足高速传输。  

 

图一、USB技术演进

 

外观

除了速度的提升之外,消费性电子产品轻薄化的发展趋势,促使连接器的外观尺寸也越来越迷你,以USB的发展来看,近年来在智能型手机的带动下,由应用广泛的标准型A、B Type到Mini系列,2007年因应行动通讯需求发展出Micro系列产品,以及最近很火红的USB Type-C,其外观尺寸已缩小6倍之多。除了轻薄化之外,高性能及简易的插拔都是优质连接器发展重点。由此可知,连接器产业未来势必朝向轻薄短小、且具有快速传输效能的方向发展。

 

传输效能

早期低速连接器并不需要提供大量的讯号传递,对于连接器的电气性能最多只要求直流电性导通与否、机械性能为测试重点,例如插拔力、插拔寿命、端子保持力及接触电阻测试等,因为这些试验都会对机械与导通性能造成影响。进入2000年之后,USB及IEEE 1394相继问世,宣告连接器进入另一个时代,连接器的目的从原本只要求电流是否导通到大量讯号的传递,在量测上的重点也相对增加了Impedance(特性阻抗)、Propagation Delay(传输延迟)、Propagation Skew(传输时滞)、Attenuation(衰减)、Crosstalk(串音)等测试项目。透过这些测试来验证讯号的完整性。

 

干扰

随着传输数据的大量化,带动着HDMI、DisplayPort及USB 3.1 Type-C等高频连接器相继问世,连接器的传输速度也从Mbps等级提升到Gbps等级。当讯号速度持续加快时,如何降低噪声干扰成了重要课题,因此单线传输架构逐渐转换成双绞线方式(Shielded Twisted-Paired),甚至以同轴线型态(Coaxial)组成,藉以降低本身噪声的产生以及提升抵抗外界干扰的能力;但是因为多条或多对讯号同时高速传输的影响,串音程度也逐渐增加,因此各种串音现象(Crosstalk)的产生则必须要被分析探讨。

   

       

 

 

 

             

   图二、双绞线图示

 

  图三、同轴线图示

 

所谓串音(Crosstalk)是指两条讯号之间辐射讯号的耦合现象。这是因为讯号对之间的距离邻近,辐射讯号透过彼此间的杂散电感和杂散电容相互耦合而互相产生干扰,电容性耦合会引发耦合电流,而电感性耦合则引发耦合电压;以现实生活来说,家用电话在通话时,偶尔会因串音干扰,而听到第三者的声音。因此,高频讯号在相邻的讯号线做传输时,很难避免串音干扰的产生,所以需透过串音量测来了解串音干扰是否控制在可容许的范围之内。串音又可分为:近端串音(Near End Cross Talk: NEXT)及远程串音(Far End Cross Talk: FEXT)两种,目前Type-C拥有4对讯号对,而DisplayPort因多包含控制用的AUX channel,共拥有5对讯号对,因此两者都非常重视串音参数的量测;亦将串音测试纳入验证项目之一。

 

信号损失

另外,伴随小型化产品的发展趋势,配合连接器所使用的电缆线组中轻量且可绕性佳的线材需求大增,芯线线径势必越来越细。目前HDMI线材约24~30 AWG,USB 3.1则为28~34 AWG,AWG为美国线规,是一种区分导线直径的标准,数值愈大则线径愈小,导体愈小,在在线传送的高频讯号将受导体本身特性造成讯号功率的损失也会愈大,协会通常也会在规格上设定可接受的频率损失参考标准(参考表一及表二)。

 

损失(Loss)是指讯号在传输线中的衰减程度,损失种类可分为:插入损失(Insertion Loss)及反射损失(Return Loss)。理想状态下讯号的传输是没有衰减;但实际上受铜材料特性影响传输距离越长,讯号损失越多(即线组越大损耗越大),插入损失随着讯号的工作频率越高所产生的讯号损耗也越多,虽然这种导体损耗对连接器本身影响不大,但对电缆线组而言却影响甚深。反射损失的产生,主要发生在连接器本身或是配对的接面上,因为连接器本身形状与特性很难形成所谓『传输线结构』,同时电缆线与连接器接合制程中的串接瑕疵也会造成讯号大量的反射损失。为了有效掌控传输线的损失不会影响质量,插入损失(Insertion Loss)及反射损失(Return Loss)的量测是未来验证高频连接器不可缺少的项目。

表一、Twisted Pair线材与频率损失关系表

(数据源:Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2)

 

表二、Coaxial线材与频率损失关系表

数据源:Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Revision 1.2)

 

线材的损失测试需要靠仪器来完成。一般说来量测线材损失的设备包含了Time domain 及Frequency domain两种测试设备。 以USB为例,在USB 3.1 认证测试上要求使用时域反射仪(Time Domain Reflectometry, TDR)及网络分析仪(Network Analyzer, NA),两台设备分别对不同参数进行量测。传输速度的提升,对于量测设备有相当大的挑战,完整量测设备的建制需要随着技术的变革而更新,成本也逐渐提升,如何建制有效的测试环境对厂商来说也是一个非常大的负担。

 

以USB 3.1 Type-C认证为例,设备厂商所提出的MOI (Method of Implementation)都是使用单一机台来完成电缆线组测试项目。目前主要的设备都可以在单一机台上执行时域及频域的测试。在Tektronix的TDR上,TDR可将量测到的时域讯号透过IConnect software做快速傅立叶变换(Fast-Fourier Transform)(注一),转化成不同频域下的谐波讯号(sin wave)。另外,Keysight的ENA则是透过option TDR功能,将量测到的频域讯号透过逆傅立叶变换(Inverse Fourier Transform),转化成时域讯号。透过软件的辅助转换,除了让测试人员可以同时量测到频域与时域讯号,快速的完成所需的量测项目之外,也大幅降低公司成本。此外,也可以简化工程人员分析的时间。

图四、时域与频域讯号关系图

 

轻薄短小加上快速且具大量数据传输需求,是未来连接器发展的必然趋势,连接器产业已摆脱机械加工的传统模式朝向微波组件与高频特性发展、量测与分析对现有连接器产业而言仍需投入大量的研究人力,本文中提及的各种新式连接器在整个连接器产业中仍属低价产品,但其相关高频技术已造成产业发展的分水岭,如何提升各项能力朝板对板(board to board)之高单价产品迈进会将是连接器厂商向上提升的关键技术。

注一: 傅立叶变换是一种线性的积分变换,常用在将信号在时域和频域之间做变换。

回到文章列表