USB Type-C 連接器的配置和特性分析

　　USB4 接口的兩個(gè)通道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為每秒 40 吉比特 （Gbits/s），這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了額外的壓力，因?yàn)殡y以滿足信號(hào)完整性和電磁干擾 （EMI） 要求。此外，現(xiàn)在有多種數(shù)據(jù)和顯示協(xié)議普遍使用 Type-C 連接器，這要求它們?cè)谄涔餐目偩€上共用可用的帶寬。同時(shí)設(shè)計(jì)者還需要確保連接器和所有的 USB4 組件一樣，獲得多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的認(rèn)證。其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括減輕由于錯(cuò)誤插入插頭而造成的機(jī)械損壞的風(fēng)險(xiǎn)，以及需要適應(yīng)更堅(jiān)固、更先進(jìn)功能的終端產(chǎn)品和使用模式。

　　USB Type-C? 規(guī)范確立了新的連接器要求，即在保持與現(xiàn)有 USB 形式的所有功能優(yōu)勢(shì)兼容性外，同時(shí)滿足系統(tǒng)和設(shè)備不斷發(fā)展的需求。本文解釋了 USB Type-C 連接器的配置和特性，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了討論。然后介紹了 Amphenol ICC 通過(guò) USB4 認(rèn)證的 USB Type-C 連接器插座樣件。這些連接器支持規(guī)范中列出的所有高級(jí)功能，包括減少 EMI 和提高連接器可靠性和機(jī)械完整性的額外功能。

　　USB4 第 3 代 Type-C 連接器

　　USB Type-C 插頭和插座規(guī)范由 USB 實(shí)施者論壇 （USB-IF） 在“USB Type-C 電纜和連接器規(guī)范修訂版 2.0”文件中指定，該文件涵蓋 USB-Type-C 連接器上的 USB4，并可在 USB-IF 網(wǎng)站上免費(fèi)下載。

　　USB-C 連接器使用 24 個(gè)引腳，在一個(gè)連接器中同時(shí)提供 USB 供電 （USB PD）、數(shù)據(jù)傳輸、音頻和視頻輸出。USB-C 連接器最引人注目的是其可反插特性；也就是說(shuō)，插頭可以以任何方向插入插座——這是那些在插入舊的 USB-A 連接器時(shí)遇到問(wèn)題的用戶非常喜歡的一個(gè)特性?？匆幌?USB-C 插頭和插座的信號(hào)分配，就可以看出這種能力（圖 1）。

　　圖 1 中所示為是插座的中心引腳布局。圖示有兩個(gè)插頭方向：上面是正常方向，下面是旋轉(zhuǎn) 180? 的插頭。無(wú)論插頭方向如何，插入插頭時(shí)相應(yīng)的信號(hào)都是匹配的。

圖 1：從每個(gè)部分看 USB-C 插頭連接器（上方和下方）和插座（中間）的信號(hào)分配，我們可看出將插頭旋轉(zhuǎn) 180? 插入時(shí)仍然可以獲得正確的信號(hào)匹配。（圖片來(lái)源：Art Pini）

　　USB-C連接器內(nèi)的信號(hào)組在表1中突出顯示，與圖1中相應(yīng)的連接器引腳信號(hào)的顏色相匹配 ，顯示了USB-C連接器在不同應(yīng)用中的多功能性。高速差分信號(hào)通道可以支持最高 40 Gbits/s 的傳輸速率，并且可同時(shí)用于 USB4 和備用模式及隧道協(xié)議。

表 1：USB4 連接器信號(hào)匯總，包括兩個(gè)高速差分信號(hào)通道，一個(gè) USB 2 差分信號(hào)路徑，以及電源和接口控制信號(hào)。信號(hào)組的填充顏色與圖 1 所示的相應(yīng)連接器引腳信號(hào)的顏色完全匹配。（表格來(lái)源：Art Pini）

　　USB4 支持的備用模式協(xié)議包括 Thunderbolt、DisplayPort （DP）、移動(dòng)高清鏈路 （MHL）、外設(shè)組件高速互連 （PCIe） 和高清多媒體接口 （HDMI）。其它備用模式協(xié)議可以通過(guò) USB PD 協(xié)議握手來(lái)定義和啟用，使用結(jié)構(gòu)化的、供應(yīng)商定義的消息 （VDM） 來(lái)發(fā)現(xiàn)和配置備用模式。

　　USB PD 還允許設(shè)備協(xié)商由電源供電的功率水平。USB4 支持的最大功率水平為 100 瓦、20 伏、5 安培 （A）。這種能力可能需要電源可編程。電源控制和主動(dòng)電纜允許快速充電。設(shè)備之間的供電合約是使用配置通道 （CC） 線路使用雙相標(biāo)記編碼以 300 千波特速率和半雙工模式進(jìn)行協(xié)商的。

　　所有這些不同的協(xié)議都使用一個(gè)共同的連接器有很多好處，使之可應(yīng)用于音頻、視頻、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。它還允許對(duì)開發(fā)中的新的和即將出現(xiàn)的協(xié)議進(jìn)行定義。

　　該連接器的引腳分配布局符合人們常識(shí)印象，可最大限度地提高信號(hào)完整性。例如，高速和 USB 2 數(shù)據(jù)線是差分的，可減少串?dāng)_和 EMI。此外，所有數(shù)據(jù)線都在電源和接地總線或其他低帶寬信號(hào)線之間運(yùn)行，以提供隔離，而且高速數(shù)據(jù)線被布置在相對(duì)的兩側(cè)，以盡量減少通道間的串?dāng)_。

　　Amphenol ICC USB4 插座產(chǎn)品特性

　　為了幫助應(yīng)對(duì) USB4 的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，Amphenol ICC 推出了四種 USB4 第 3 代插座，其性能優(yōu)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。它們是下一代連接器，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最高 40Gbits/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，且與 USB PD 兼容，同時(shí)通過(guò) Thunderbolt 接口在單個(gè) Type-C 連接器中結(jié)合了電源充電、隧道 USB 和 PCIe 數(shù)據(jù)傳輸。這些連接器還支持 DisplayPort 視頻和音頻，刷新率為 60 赫茲 （Hz） 的 4K 超高清 （UHD）。

　　這些連接器的一個(gè)重要的 USB4 特性是它們能夠在傳輸視頻和數(shù)據(jù)時(shí)動(dòng)態(tài)地優(yōu)化帶寬。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，新的 USB4 連接器是向后兼容的，支持以前的 USB 版本，包括 USB 2、3.1 和 3.2，但具有可旋轉(zhuǎn)的插頭和電纜方向，大大增強(qiáng)了 USB 用戶體驗(yàn)。該連接器的小尺寸和功能多樣性使之成為融入新興技術(shù)的理想選擇。

　　機(jī)械設(shè)計(jì)支持功率和耐久性

　　Amphenol ICC USB4 插座旨在提供具有 10，000 次配接壽命的卓越性能，具有高耐用性和較少的插拔操作磨損。在導(dǎo)電路徑的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)加入了高質(zhì)量的銅金屬合金，確保了 40 毫歐 （mΩ） 的低損耗接觸電阻，以及擴(kuò)展的 5A 電流額定值，使得 USB 供電輸送功率達(dá)到 100 瓦。

　　該連接器的中間板側(cè)壁進(jìn)行了改進(jìn)，最大限度地?cái)U(kuò)大了接觸面積，并穩(wěn)定了接觸性能，使其無(wú)晃動(dòng)（圖 2）。

圖 2：Amphenol ICC USB4 插座的強(qiáng)化側(cè)壁設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“無(wú)晃動(dòng)”連接，提供了更好的 EMI 保護(hù)和更好的機(jī)械保護(hù)，防止插頭誤插。（圖片來(lái)源： Amphenol ICC）

　　增強(qiáng)的機(jī)械功能包括一個(gè)延伸的側(cè)壁板，該板延伸到插座舌片的一角，以防止非 Type-C 插頭的插入，如插入微型 USB 插頭。相同的側(cè)壁與中板一起接地，提供了額外的屏蔽并減少了 EMI。在內(nèi)屏蔽層上增加了凹痕，插入時(shí)會(huì)引導(dǎo)插頭并保持插頭體位置正確。整個(gè)機(jī)械組件提供了穩(wěn)定的鎖定性能和與配接導(dǎo)體表面的最大重疊接觸面積，最大限度地減少了接觸電阻。強(qiáng)有力的咔嚓聲確保了完全插入。

　　Amphenol ICC 產(chǎn)品系列

　　Amphenol ICC 產(chǎn)品中共有四個(gè) USB4 Type-C 插座（圖 3）。

圖 3：Amphenol ICC USB4 第 3 代 Type C 插座包括三個(gè)頂部固定式版本和一個(gè)中間固定式版本。（圖片來(lái)源： Amphenol ICC）

　　GSB4D313302Y1HR 采用直角通孔安裝的頂部固定式插座目前已通過(guò) USB-IF 認(rèn)證，并被英特爾推薦用于 Thunderbolt 4。其外殼具有前后一致的截面，中心高度為 1.58 毫米 （mm）（從安裝平面到連接器舌片的距離）。

　　12402056E512A 和 12402073E512A 也是采用通孔安裝的頂部固定式插座，但它們的外殼是矩形的，中心高度為 1.57 mm。撰寫本文時(shí)這些插座標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證正在申請(qǐng)中。

　　12402075E512A 是一款中間固定式插座，中心高度僅為 0.47 mm，配置更加緊湊。它也使用通孔安裝。該插座的認(rèn)證目前也在申請(qǐng)中。

　　所有這些插座的額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，因此成為車載應(yīng)用的絕佳之配。

　　USB4 連接器的應(yīng)用

　　這些插座將在存儲(chǔ)、汽車信息娛樂(lè)、家庭娛樂(lè)、對(duì)接設(shè)備、外設(shè)接口（顯示器/顯示屏、投影儀）以及其他消費(fèi)應(yīng)用（如筆記本電腦）和平板電腦中找到用途。它們體積小，支持多種模式以及功率控制，實(shí)現(xiàn)了巨大的通用性。

　　結(jié)語(yǔ)

　　USB Type-C 連接器具有處理多種高速協(xié)議和功率水平的能力，隨著用戶尋求更快數(shù)據(jù)傳輸率、更高充電能力和更簡(jiǎn)便連接，它們正成為越來(lái)越多的應(yīng)用的首選。有了 USB4，用戶就可以獲得備用模式和隧道支持。這些改進(jìn)將確保 USB4 在更多不同且可能更苛刻的環(huán)境和應(yīng)用中得到更廣泛的采用。為了幫助設(shè)計(jì)者使用，Amphenol ICC USB4 插座的設(shè)計(jì)超過(guò)了基本的 USB-IF 規(guī)范，減輕了 EMI 的影響，并確保了在多次插拔后和寬溫度范圍內(nèi)保持良好連接。