如何满足新的 USB4 第 3 代 Type-C 可靠性和信号完整性要求

USB4 接口的两个通道的最大数据传输率为每秒 40 吉比特 (Gbits/s)，这给设计者带来了额外的压力，因为难以满足信号完整性和电磁干扰 (EMI) 要求。此外，现在有多种数据和显示协议普遍使用 Type-C 连接器，这要求它们在其共同的总线上共用可用的带宽。同时设计者还需要确保连接器和所有的 USB4 组件一样，获得多个标准组织的认证。其他设计挑战包括减轻由于错误插入插头而造成的机械损坏的风险，以及需要适应更坚固、更先进功能的终端产品和使用模式。

USB Type-C® 规范确立了新的连接器要求，即在保持与现有 USB 形式的所有功能优势兼容性外，同时满足系统和设备不断发展的需求。本文解释了 USB Type-C 连接器的配置和特性，并对其应用进行了讨论。然后介绍了 Amphenol ICC 通过 USB4 认证的 USB Type-C 连接器插座样件。这些连接器支持规范中列出的所有高级功能，包括减少 EMI 和提高连接器可靠性和机械完整性的额外功能。

USB4 第 3 代 Type-C 连接器

USB Type-C 插头和插座规范由 USB 实施者论坛 (USB-IF) 在“USB Type-C 电缆和连接器规范修订版 2.0”文件中指定，该文件涵盖 USB-Type-C 连接器上的 USB4，并可在 USB-IF 网站上免费下载。

USB-C 连接器使用 24 个引脚，在一个连接器中同时提供 USB 供电 (USB PD)、数据传输、音频和视频输出。USB-C 连接器最引人注目的是其可反插特性；也就是说，插头可以以任何方向插入插座——这是那些在插入旧的 USB-A 连接器时遇到问题的用户非常喜欢的一个特性。看一下 USB-C 插头和插座的信号分配，就可以看出这种能力（图 1）。

图 1 中所示为是插座的中心引脚布局。图示有两个插头方向：上面是正常方向，下面是旋转 180˚ 的插头。无论插头方向如何，插入插头时相应的信号都是匹配的。


图 1：从每个部分看 USB-C 插头连接器（上方和下方）和插座（中间）的信号分配，我们可看出将插头旋转 180˚ 插入时仍然可以获得正确的信号匹配。（图片来源：Art Pini）

USB-C连接器内的信号组在表1中突出显示，与图1中相应的连接器引脚信号的颜色相匹配 ，显示了USB-C连接器在不同应用中的多功能性。高速差分信号通道可以支持最高 40 Gbits/s 的传输速率，并且可同时用于 USB4 和备用模式及隧道协议。


表 1：USB4 连接器信号汇总，包括两个高速差分信号通道，一个 USB 2 差分信号路径，以及电源和接口控制信号。信号组的填充颜色与图 1 所示的相应连接器引脚信号的颜色完全匹配。（表格来源：Art Pini）

USB4 支持的备用模式协议包括 Thunderbolt、DisplayPort (DP)、移动高清链路 (MHL)、外设组件高速互连 (PCIe) 和高清多媒体接口 (HDMI)。其它备用模式协议可以通过 USB PD 协议握手来定义和启用，使用结构化的、供应商定义的消息 (VDM) 来发现和配置备用模式。

USB PD 还允许设备协商由电源供电的功率水平。USB4 支持的最大功率水平为 100 瓦、20 伏、5 安培 (A)。这种能力可能需要电源可编程。电源控制和主动电缆允许快速充电。设备之间的供电合约是使用配置通道 (CC) 线路使用双相标记编码以 300 千波特速率和半双工模式进行协商的。

所有这些不同的协议都使用一个共同的连接器有很多好处，使之可应用于音频、视频、数据存储和数据通信应用。它还允许对开发中的新的和即将出现的协议进行定义。

该连接器的引脚分配布局符合人们常识印象，可最大限度地提高信号完整性。例如，高速和 USB 2 数据线是差分的，可减少串扰和 EMI。此外，所有数据线都在电源和接地总线或其他低带宽信号线之间运行，以提供隔离，而且高速数据线被布置在相对的两侧，以尽量减少通道间的串扰。

Amphenol ICC USB4 插座产品特性

为了帮助应对 USB4 的设计挑战，Amphenol ICC 推出了四种 USB4 第 3 代插座，其性能优于现有标准。它们是下一代连接器，达到标准要求的最高 40Gbits/s 的数据传输率，且与 USB PD 兼容，同时通过 Thunderbolt 接口在单个 Type-C 连接器中结合了电源充电、隧道 USB 和 PCIe 数据传输。这些连接器还支持 DisplayPort 视频和音频，刷新率为 60 赫兹 (Hz) 的 4K 超高清 (UHD)。

这些连接器的一个重要的 USB4 特性是它们能够在传输视频和数据时动态地优化带宽。根据标准，新的 USB4 连接器是向后兼容的，支持以前的 USB 版本，包括 USB 2、3.1 和 3.2，但具有可旋转的插头和电缆方向，大大增强了 USB 用户体验。该连接器的小尺寸和功能多样性使之成为融入新兴技术的理想选择。

机械设计支持功率和耐久性

Amphenol ICC USB4 插座旨在提供具有 10,000 次配接寿命的卓越性能，具有高耐用性和较少的插拔操作磨损。在导电路径的设计中重点加入了高质量的铜金属合金，确保了 40 毫欧 (mΩ) 的低损耗接触电阻，以及扩展的 5A 电流额定值，使得 USB 供电输送功率达到 100 瓦。

该连接器的中间板侧壁进行了改进，最大限度地扩大了接触面积，并稳定了接触性能，使其无晃动（图 2）。


图 2：Amphenol ICC USB4 插座的强化侧壁设计实现了“无晃动”连接，提供了更好的 EMI 保护和更好的机械保护，防止插头误插。（图片来源： Amphenol ICC）

增强的机械功能包括一个延伸的侧壁板，该板延伸到插座舌片的一角，以防止非 Type-C 插头的插入，如插入微型 USB 插头。相同的侧壁与中板一起接地，提供了额外的屏蔽并减少了 EMI。在内屏蔽层上增加了凹痕，插入时会引导插头并保持插头体位置正确。整个机械组件提供了稳定的锁定性能和与配接导体表面的最大重叠接触面积，最大限度地减少了接触电阻。强有力的咔嚓声确保了完全插入。

Amphenol ICC 产品系列

Amphenol ICC 产品中共有四个 USB4 Type-C 插座（图 3）。


图 3：Amphenol ICC USB4 第 3 代 Type C 插座包括三个顶部固定式版本和一个中间固定式版本。（图片来源： Amphenol ICC）

GSB4D313302Y1HR 采用直角通孔安装的顶部固定式插座目前已通过 USB-IF 认证，并被英特尔推荐用于 Thunderbolt 4。其外壳具有前后一致的截面，中心高度为 1.58 毫米 (mm)（从安装平面到连接器舌片的距离）。

12402056E512A 和 12402073E512A 也是采用通孔安装的顶部固定式插座，但它们的外壳是矩形的，中心高度为 1.57 mm。撰写本文时这些插座标准认证正在申请中。

12402075E512A 是一款中间固定式插座，中心高度仅为 0.47 mm，配置更加紧凑。它也使用通孔安装。该插座的认证目前也在申请中。

所有这些插座的额定工作温度范围为 -40°C 至 +85°C，因此成为车载应用的绝佳之配。

USB4 连接器的应用

这些插座将在存储、汽车信息娱乐、家庭娱乐、对接设备、外设接口（显示器/显示屏、投影仪）以及其他消费应用（如笔记本电脑）和平板电脑中找到用途。它们体积小，支持多种模式以及功率控制，实现了巨大的通用性。

结语

USB Type-C 连接器具有处理多种高速协议和功率水平的能力，随着用户寻求更快数据传输率、更高充电能力和更简便连接，它们正成为越来越多的应用的首选。有了 USB4，用户就可以获得备用模式和隧道支持。这些改进将确保 USB4 在更多不同且可能更苛刻的环境和应用中得到更广泛的采用。为了帮助设计者使用，Amphenol ICC USB4 插座的设计超过了基本的 USB-IF 规范，减轻了 EMI 的影响，并确保了在多次插拔后和宽温度范围内保持良好连接。

来源：Digi-Key
作者：Art Pini