信號(hào)完整性實(shí)戰(zhàn)：USB3.0

1 測(cè)試背景

USB總線自面世第一代開(kāi)始，就對(duì)電氣性能的要求特別高，特別是信號(hào)完整性。隨著USB總線的不斷升級(jí)，速率也是成倍的增長(zhǎng)，從當(dāng)年USB1.0的1.5Mbps，到后來(lái)的USB1.1的12Mbps，USB2.0的速率達(dá)到了480Mbps，USB3.0 Super Speed規(guī)范發(fā)布的時(shí)候已經(jīng)高達(dá)5Gbps，在2015年，USB-IF協(xié)會(huì)更是發(fā)布了速率為10Gbps的USB3.1版本。如此高的速率對(duì)于設(shè)計(jì)中任何一點(diǎn)的瑕疵都是難以接受的，比如電源干擾、布線過(guò)長(zhǎng)、線纜、連接器品質(zhì)不好等等。USB版本的升級(jí)，不僅僅是信號(hào)速率的提升，原本只有一組信號(hào)線，也在USB3.0之后也增加到了三組信號(hào)線，信號(hào)的幅值也變得更低。這些綜合在一起因素給產(chǎn)品硬件工程師在設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證時(shí)帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)。

2 USB3.0簡(jiǎn)單的原理框圖

圖1 USB3.0簡(jiǎn)單的原理框圖

USB3.0又稱為SuperSpeed USB總線，與高速(High Speed)USB2.0總線相比，為了達(dá)到總線對(duì)USB2.0/1.1/1.0的向下兼容，總線保留了USB2.0信號(hào)線(D+，D-，Vbus，GND)，同時(shí)增加了兩對(duì)USB 3.0超高速差分信號(hào)(SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-)，一組差分對(duì)用來(lái)發(fā)射信號(hào)，另一組接收信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，USB3.0信號(hào)傳輸速率達(dá)到5Gbps;電流最大達(dá)到900mA;在EMC方面，為了達(dá)到降低EMI的影響，增加了SSC(擴(kuò)頻時(shí)鐘)功能。

3 測(cè)試系統(tǒng)搭建和介紹

任何測(cè)試系統(tǒng)的搭建都是以測(cè)試目的為導(dǎo)向的，在測(cè)試之前一定要明確測(cè)試的目的。對(duì)于完整的USB3.0信號(hào)完整性測(cè)試，需要對(duì)TX端和RX端都進(jìn)行完整的測(cè)試，但是對(duì)于大多數(shù)廠商來(lái)講，可能只能完成基本的TX端測(cè)試。我們這個(gè)測(cè)試也只對(duì)TX端進(jìn)行測(cè)試，所以測(cè)試的系統(tǒng)就是一臺(tái)示波器、DUT、測(cè)試夾具和測(cè)試線纜。如下所示：

圖2測(cè)試系統(tǒng)

示波器：Keysight Infiniium DSO90804A，帶寬為8GHz，采樣率為40GSa/s;

測(cè)試夾具：Keysight U7242-66501 USB3.0 test fixture

線纜：18GHz SMA頭的線纜

測(cè)試軟件：KeysightU7243B USB3 Test App

Keysight的USB 3.0 發(fā)送端一致性測(cè)試軟件U7243A可以支持嵌入(Embed)、去嵌入(De-embed)的功能，這對(duì)研發(fā)工程師的作用非常大。在軟件中還直接內(nèi)置提供Host和Device的一致性通道傳遞函數(shù)，可以嵌入一致性通道模型，完成對(duì)一致性測(cè)試的要求，這主要體現(xiàn)在包含了測(cè)試過(guò)程中加入了長(zhǎng)通道和短通道的S參數(shù)在其中，這時(shí)不管你是做的Host端的產(chǎn)品還是Device端的產(chǎn)品，只要在測(cè)試時(shí)選擇對(duì)應(yīng)參數(shù)即可代表真實(shí)的使用情況。這樣也符合一致性測(cè)試規(guī)范。

4 測(cè)試過(guò)程

Keysight示波器對(duì)于USB3.0這類接口的測(cè)試都有非常完善的測(cè)試解決方案，這些方案都是標(biāo)準(zhǔn)流程化的，只要進(jìn)入到軟件測(cè)試界面即可按照流程圖一步一步的往下進(jìn)行測(cè)試。下面是測(cè)試時(shí)的相關(guān)設(shè)置和注意事項(xiàng)：

在測(cè)試前，首先要預(yù)熱、校準(zhǔn)示波器(大約20分鐘)、線纜需要做de-skew。這一步非常的關(guān)鍵，特別是線纜做de-skew，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候線纜與線纜之間有一些偏差，如果不做de-skew就會(huì)導(dǎo)致在差分信號(hào)的正端和負(fù)端引入系統(tǒng)誤差。

然后就開(kāi)啟測(cè)試USB3.0軟件U7243B USB3Test App，如下所示：

圖3 開(kāi)啟測(cè)試軟件

接著就是設(shè)置DUT類型、速率、夾具和測(cè)試分析模式，由于DUT是device，所以在Device一欄選擇Device;USB3.0的速率為5G;測(cè)試的夾具分為了兩類，一類是USB-IF協(xié)會(huì)的，另一類就是keysight(Agilent)的，在這里選擇的是keysight(Agilent)的測(cè)試夾具;另外一個(gè)非常關(guān)鍵的點(diǎn)就是Test Method，是否選用USB-IF SigTest的分析方法，通常，我們會(huì)選擇使用;選擇參考時(shí)鐘，一般高速串行信號(hào)都會(huì)選用SSC模式;還要根據(jù)產(chǎn)品使用。

圖4 keysight示波器設(shè)置界面

選擇測(cè)試項(xiàng)目，一般情況，工程師都會(huì)選擇全部測(cè)試項(xiàng)，這樣才能最完整的按照規(guī)范要求進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)然，這也要看測(cè)試目的，如果只是debug，那么可以選擇相對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)即可，這樣可以節(jié)約測(cè)試時(shí)間。具體操作如下圖所示：

圖5 選擇測(cè)試項(xiàng)目

配置測(cè)試條件。一般使用默認(rèn)設(shè)置，常用的調(diào)整配置item有：使用的示波器通道，測(cè)試碼型，測(cè)試的UI數(shù)，自動(dòng)切換測(cè)試碼型。如下圖所示：

圖6 配置測(cè)試條件

連接測(cè)試系統(tǒng)，包含示波器、夾具和DUT。測(cè)試軟件會(huì)指示工程師的每一步連接，連接完成后，這里要注意，在連接完成之前，左下角的顏色是黃色的，連接完成之后，勾選’ I have completed theseinstructions’，就會(huì)變成綠色。如下兩圖所示：

圖7 連接測(cè)試系統(tǒng)

圖8連接完成后

最后，單擊Run test。軟件會(huì)自動(dòng)開(kāi)始測(cè)試，但是要隨時(shí)注意軟件的提示，按提示進(jìn)行一些觸發(fā)動(dòng)作等等。

斷開(kāi)被測(cè)件和夾具，然后重啟被測(cè)件，完成這兩個(gè)操作后，點(diǎn)擊OK。

圖9 重啟DUT

將被測(cè)件接入夾具，觀察示波器是否捕捉到參考波形，如參考波形和示波器顯示波形相同，點(diǎn)擊成這兩個(gè)操作后，點(diǎn)擊OK

圖10 測(cè)試TP0

完成LFPS信號(hào)測(cè)試后，軟件提示更改連接，注意：此時(shí)提示連接夾具的’SSRX+‘和示波器的AUX OUT。

測(cè)試完成之后軟件會(huì)自動(dòng)生成報(bào)告，如下為部分測(cè)試報(bào)告內(nèi)容：

圖11 測(cè)試報(bào)告內(nèi)容

在報(bào)告中包含了測(cè)試的結(jié)果、波形和眼圖以及SSC相關(guān)內(nèi)容。對(duì)測(cè)試項(xiàng)也有比較清晰的說(shuō)明，這非常有利于理解測(cè)試報(bào)告以及問(wèn)題的分析。

5問(wèn)題描述和結(jié)果分析

由于這個(gè)項(xiàng)目在上一版本的時(shí)候是沒(méi)有任何問(wèn)題的，所以在新版本生產(chǎn)好之后沒(méi)有及時(shí)的對(duì)USB接口進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)在產(chǎn)線上進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的讀取不到device。然后分析USB口的電源和信號(hào)完整性是否滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，電源是沒(méi)有問(wèn)題的，但是USB3.0的信號(hào)完整性確實(shí)存在問(wèn)題，測(cè)試眼圖如下：

圖12 原始眼圖

從眼圖分析，出現(xiàn)了眼圖壓到內(nèi)模板。出現(xiàn)這種情況首先想到的就是另外再測(cè)試其他的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是一樣;接著就考慮是鏈路上的損耗是否變大?由于CPU芯片、連USB連接器和PCB材料都使用的是相同的物料，唯一改變的物料就是共模電感。上一版本的共模電感為M公司的物料，為了降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，新版本使用的是Y公司的物料，有可能問(wèn)題就出現(xiàn)在這顆物料上。

不同點(diǎn)找到之后，要求Y供應(yīng)商提供物料的S參數(shù)，然后對(duì)比兩家的參數(shù)如下：

圖13 對(duì)比兩家物料的S參數(shù)(使用Keysight公司的仿真軟件ADS)

從對(duì)比結(jié)果上分析，很顯然Y公司的物料與M公司的物料存在很大的差異性，在頻率為一開(kāi)始就差距很大，Y公司的物料在3.778GHz時(shí)有一個(gè)比較大的諧振點(diǎn)，損耗降到了-6dB以下，而M公司的物料損耗一直都保持在-3dB以上，顯然，用在電路上會(huì)有一個(gè)非常大的差異。通過(guò)更換物料之后，再進(jìn)行信號(hào)完整性測(cè)試，眼圖如下：

圖14 改善后的眼圖

對(duì)比兩個(gè)眼圖的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果得到很大的改善。再進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，插拔100次都沒(méi)有再出現(xiàn)讀取不到device的現(xiàn)象。

6 總結(jié)

在這個(gè)項(xiàng)目中，由于硬件研發(fā)工程師在換物料之后，沒(méi)有及時(shí)的告知相關(guān)部門進(jìn)行可靠性和電氣性能的評(píng)估，單純從數(shù)值上就確定使用物料，這就導(dǎo)致了USB3.0口無(wú)法正常讀取到device。在通過(guò)使用Keysight的一系列的硬件和軟件工具驗(yàn)證之后，最終問(wèn)題得以找到點(diǎn)，并解決。

審核編輯：湯梓紅