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        《電子技術應用》
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        頻寬/功率規格大步向前 USB應用市場更寬廣

        2022-06-30
        來源: 新電子科技雜志 Micro-Electronics Magazine
        關鍵詞: USB USB4

          在USB標準的發展歷史上,USB4可能是USB自從問世以來,重要性僅次于Type-C 接頭的發展里程碑。由于USB4 整合了Thunderbolt 3協定,不僅介面頻寬的極限值一口氣拉高到40Gbit/s,支援其他協定的方法也更優雅、更有效率,為USB介面開拓了更多潛在應用市場。

          USB4性能全方位提升 性價比遠超Thunderbolt

          威鋒電子新市場開發部總監Terrance Shih(圖1)指出,提到USB4,一般都會想到更快的傳輸速率,但與先前的USB版本相比,USB4不只是速度更快而已,在傳輸機制方面,也有很明顯的改良。

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          圖1 威鋒電子新市場開發部總監Terrance Shih指出,由于傳輸機制改良,USB4的整體性能有了十分明顯的突破

          在USB3.x介面,藉由Alternative Mode,USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的訊號格式,進而讓USB介面可以當作影音傳輸介面來使用。但Alternative Mode會占用一條專屬通道,如果用USB3.x介面同時連接Displayport跟其他資料儲存裝置,即便Displayport沒在使用,分配給Displayport的專屬通道也不會釋放給其他資料傳輸應用,降低資源運用的效率。

          針對這個問題,USB4採用穿隧(Tunneling)協議的作法。例如在USB、Displayport跟PCI Express三種協定同時存在的情況下,USB4的主控端(Host)會把這三種不同協定的封包匯聚起來,在一條共通的通道上傳輸;到了裝置端再把不同協定的封包分離,配送到對應的周邊設備。

          由于傳輸機制的改良,USB4介面的資源使用變得更有效率,不同協定的資料在傳輸時彼此拖累的情況大有改善,讓USB4變成一個更理想的多用途介面。這對于筆記型電腦擴充基座(Docking)這類需要連接多樣化周邊的應用來說,是相當關鍵的。

          而且,雖然USB4跟Thunderbolt4使用一樣的協定,具有相同的傳輸效能,但因為拿掉了vPro這類高階功能,驗證跟取得Logo授權的成本也低很多,因此,支援USB4的產品會比Thunderbolt4要便宜得多,有利于市場推廣跟普及。

          測試工作繁重 自動化將成關鍵

          在USB4的相容性測試跟合規測試方面,由于頻寬增加,又強化了對多種協定的支援性,因此USB4產品的設計驗證跟測試工作,變得更為複雜。

          是德(Keysights)科技技術專家邱柏勝(圖2)指出,由于頻寬增加,因此USB4對電氣特性的要求,變得更為嚴謹。因此,工程師需要更精準的抖動(Jitter)跟雜訊分析工具,測試設備也必須支援更先進的等化(Equalization) 與數學運算功能。而在協定分析方面,因為USB4是一個主打多協定融合的介面,所以工程師所使用的工具除了要能涵蓋USB4,還必須支援Displayport 等其他協定。

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          圖2 是德科技技術專家邱柏勝表示,為降低USB4測試的人力作業負擔,測試工具的自動化將是必然的趨勢

          但除了儀器本身的訊號擷取跟協定分析功能外,邱柏勝認為,自動化測試能力,將是儀器廠商能否真正協助USB4開發者解決問題的關鍵所在。USB4的測試規范十分嚴謹,又要支援多種協定,意味著工程師需要執行的測試項目將大幅增加,且其中有些測試項目需要相當長的時間才能完成。因此,更強大的自動化功能,將是USB4測試方案中不可或缺的一環。

          確保介面性能表現 USB-IF要求線纜品質

          作為承載訊號的介質,線纜的品質是決定介面真實性能表現的重要因素,尤其是對于像USB4 這種高速界面來說,線纜的好壞,更會對介面的傳輸性能造成極大影響。為確保線纜的品質合乎規范,USB-IF對USB4的線纜設計,也提出了對應的規范與測試要求。

          優力國際安全認證(UL)專案工程師葉建緯(圖3)指出,USB-IF 已經發布USB4 Gen 3線纜以及連接器標準及需求,規定線纜跟連接器必須支援15GHz頻寬,測試時的頻寬則為20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相關規格,就目前可以掌握的消息,對裸線的設計沒有太大的變化。

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          圖3 優力國際安全認證專案工程師葉建緯表示,為確保USB4的性能表現,USB-IF對線纜有明確的規格要求跟測試規范

          但因為USB4必須搭配Type-C 連接器,因此USB4線纜設計還是須符合Type-C的結構設計要求,如圖4所示。此外,除了訊號線以外,USB4線纜還須包含其他功能性芯線,如VBUS VCONM SBU等。針對這些芯線的設計規格,USB-IF均有對應的規定,且USB-IF規定線纜結構直徑不可超過4.8mm+/- 0.2,所以使用長度上必定會有所限制。

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          圖4 Type-C纜線結構設計要求

          葉建緯指出,整體線徑的規范是使用便利性跟效能、成本妥協后的結果。線徑變粗固然可以讓線纜具有更好的性能,但同時也會讓線纜變得難以彎折,對使用者造成許多不便,更會增加生產成本。

          基本上,對于USB4纜線這類電纜而言,同軸線的設計及製程,會決定線纜特性及品質的好壞。成纜、編織以及外被押出,對于同軸線來說都是損耗,所以在各製程的機臺選擇、參數設計及製程能力都需加以驗證及設計。

          加工方式也會直接或間接的影響同軸線的生產。大多數加工廠使用光學鏡頭對焦及雷射切割,因此芯線本身的顏色,也會是影響製程穩定性的主要因素之一。遮蔽材料的包覆也會影響加工的便利性,加工時導體及絕緣長度,則會直接影響線纜的所有特性。

          USB PD3.1配套還需醞釀

          除了頻寬跟協定的改良外,更大的功率傳輸能力,也是USB介面的重要發展方向。在USB進入4.0時代之后,專門規范USB 供電能力的USB PD也進入了3.1 時代,將功率傳輸的極限提高到240W。

          偉詮電子資深處長羅汶光(圖5)指出,USB PD3.1規范最重要的變動,在于增加了EPR(Extended Power Range)跟AVS(Adjustable Voltage Supply)兩個機制。EPR 讓USB PD的供電電壓可以提高到48V,進而實現240W供電能力;AVS則是考量到電壓變化范圍加大,既有PPS模式沒有規范到20~48V這個區間,所做出的電壓調節補充規范。

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          圖5 偉詮電子資深處長羅汶光指出,雖然USB PD3.1將供電能力的上限提高到240W,但受到電路拓撲的限制,120W以下的應用產品會發展得比較快

          但羅汶光也指出,雖然PD3.1 將供電能力的極限提高到240W,但因為是透過將供電電壓提高到48V來實現,所以在充電器設計、受電端的安全防護方面,都需要做好對應的配套。

          在充電器設計方面,目前最大的挑戰在AC/DC電路拓撲的選擇。目前已經很成熟的QR、ACF拓撲,在48V條件下的效率表現不是很理想,因此業界正在探索使用混和式拓撲的可能性,讓充電器的AC/DC電路在低壓跟高壓工作條件下,都能有良好的效率表現。

          在受電裝置的安全性方面,由于電壓提高到48V,所以在Type-C接頭被拔出受電裝置時,可能會產生電弧火花。這會帶來相當大的安全疑慮,故受電裝置的製造商,例如NB廠商,必須導入對應的保護機制,才能降低意外事故發生的風險。




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