כיצד לעמוד בדרישות האמינות ותקינות האותות של USB4 Gen 3 Type-C‏ החדש

ממשק USB4 עם קצב העברת הנתונים המקסימלי שלו של 40 גיגה-ביט לשנייה (Gbits/s) על פני שני נתיבים העמיד את המתכננים בפני האתגר לעמוד בדרישות תקינות האותות וההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI). בנוסף, השימוש הקיים כיום במחברי Type-C על ידי מספר פרוטוקולי נתונים ותצוגה מחייב שיתוף רוחב-הפס הזמין על פני האפיקים המשותפים שלהם. המתכננים צריכים גם להיות בטוחים שהמחברים, כמו כל רכיבי USB4, מורשים על ידי מספר ארגוני תקנים. אתגרי תכנון אחרים כוללים הפחתת הסיכון לנזק מכני עקב תחיבת תקע לא-נכונה, והצורך להסתגל למוצרי קצה ולמודלי שימוש הדורשים עמידות רבה יותר ומאפיינים מתקדמים יותר.

מפרט ®USB Type-C קובע דרישות מחברים העונות על הצרכים המתפתחים של מערכות והתקנים תוך שמירה על תאימות עם כל היתרונות הפונקציונליים של צורות USB קיימות. מאמר זה מסביר את התצורה והתכונות של מחברי USB Type-C ודן ביישומים עבורם הם משמשים. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות של שקעי מחבר USB Type-C‏ מורשי-USB4 מבית Amphenol ICC התומכים בכל המאפיינים התקדמים המתוארים במפרט, כולל מאפיינים נוספים שגם מפחיתים את ה- EMI וגם משפרים את האמינות והשלמות המכנית של המחבר.

מחבר USB4 Gen 3 Type-C

תקעי ושקעי USB Type-C מוגדרים על ידי USB Implementers Forum‏ (USB-IF‏) במסמך, "מפרט מחבר וכבל USB Type-C גרסה 2.0", המכסה את ה- USB4 מעל מחברי USB Type-C וזמין ללא עלות באתר האינטרנט של USB-IF.

מחבר USB-C משתמש ב -24 פינים ומעניק USB Power Delivery‏ (USB PD‏), העברת נתונים, יציאת וידאו ואודיו במחבר אחד. הדבר הבולט ביותר במחברי USB-C הוא שהם הפיכים; כלומר, ניתן לתחוב את התקע לשקע בשני הכיוונים - מאפיין שזכה להערכה רבה בקרב משתמשים שהיו להם בעיות בתחיבת מחברי USB-A הישנים. ניתן לראות יכולת זו כאשר בוחנים את הקצאות האותות עבור תקעי ושקעי USB-C (איור 1).

פרישת הפינים המרכזיים המוצגת באיור 1 היא זו של השקע. שני כיווני תקע מוצגים: העליון מיועד לכיווניות רגילה והתחתון מראה את התקע מסובב ב- °‏180‏. ללא קשר לכיווניות התקע, האותות המתאימים מתואמים ברגע תחיבת התקע.

איור 1‏: הקצאות האותות עבור תקע (למעלה ולמטה) ושקע (באמצע) של מחבר USB-C כשמביטים לתוך כל חלק מראה שסיבוב התקע ב- °‏180‏ עדיין יוצר את התאום הנכון של האותות המתאימים ברגע התחיבה. (מקור התמונה: Art Pini)

קבוצות האותות בתוך מחברי USB-C - המוצגות במודגש בטבלה 1, עם אותות פיני המחבר המתאימים בצבעים תואמים מאיור 1 - מראות את הוורסאטיליות של מחברי USB-C עבור שימוש ביישומים מגוונים. נתיבי האותות הדיפרנציאליים במהירות גבוהה יכולים לתמוך בקצבי העברה של עד Gbits/s‏ 40‏ ומשמשים הן עבור USB4 והן עבור פרוטוקולי אופן-חלופי ומנהור (Tunneling).

טבלה 1: סיכום של אותות מחבר USB4 הכולל שני נתיבי אותות דיפרנציאליים במהירות גבוהה, נתיב אות דיפרנציאלי מסוג USB 2 ואותות בקרת ממשק והספקת-כוח. צבעי מילוי קבוצות האותות תואמים לאלו של אותות פיני המחבר המתאימים המוצגים באיור 1. (מקור הטבלה: Art Pini)

פרוטוקולי אופן-חלופי הנתמכים ב- USB4 כוללים Thunderbolt‏, DisplayPort‏ (DP‏), Mobile High-Definition Link‏ (MHL‏), Peripheral Component Interconnect Express‏ (PCIe‏) ו- High-Definition Multimedia Interface‏ (HDMI‏). ניתן להגדיר ולאפשר פרוטוקולי אופן-חלופי נוספים באמצעות Handshake של פרוטוקול USB PD באמצעות הודעות מובנות ומוגדרות-יצרן (VDM) כדי לגלות ולהגדיר את התצורה של האופנים החלופיים.

USB PD מאפשר גם להתקנים לנהל משא-ומתן על רמת ההספק שמספק המקור. USB4 תומך ברמת הספק מקסימלית של 100 וואט ב- 20 וולט ב- 5 אמפר (A). יכולת זו עשויה לדרוש ספק-כוח ניתן-לתכנות. בקרת הספקת-כוח וכבלים אקטיביים מאפשרים טעינה מהירה. המשא-ומתן על ה"חוזים" להספקת-הכוח בין ההתקנים מתנהל באמצעות קו ערוץ התצורה (CC) המשתמש בקידוד סימנים דו-פאזי בקצב של kilobaud‏ 300 בחצי-דופלקס.

ישנם יתרונות רבים לשימוש במחבר משותף לכל הפרוטוקולים השונים הללו המכסים יישומים באודיו, וידאו, אחסון נתונים ותקשורת נתונים. זה גם מאפשר להגדיר פרוטוקולים חדשים ומתפתחים תוך כדי פיתוחם.

הקצאות פיני המחבר מציגות פרישה הגיונית כדי למקסם את תקינות האותות. לדוגמה, קווי הנתונים במהירות גבוהה ו- USB 2 הם דיפרנציאליים כדי להקטין למינימום ערב-דיבור (Crosstalk‏) ו- EMI. בנוסף, כל קווי הנתונים עוברים בין אפיקי כוח והארקה או קווי אותות עם רוחב-פס נמוך אחרים כדי לספק בידוד, וקווי הנתונים במהירות גבוהה ממוקמים משני צידי המערך כדי להקטין למינימום ערב-דיבור (Crosstalk‏) מנתיב-לנתיב.

מאפייני היצע המוצרים של שקעי USB4 מבית Amphenol ICC‏

כדי לסייע בהתמודדות עם אתגרי התכנון של USB4, חברת Amphenol ICC‏ הציגה ארבעה שקעי USB4 Gen 3 העולים בביצועיהם על התקן הקיים. אלו הם מחברי הדור-הבא העומדים בקצב העברת הנתונים הגבוה של התקן של עד Gbits/s‏ 40‏, ותואמים עם USB PD, עם ממשק Thunderbolt המשלב טעינת הספקת-כוח, מינהור (Tunneling‏) USB והעברת נתוני PCIe‏ דרך מחבר Type-C‏ יחיד. מחברים אלו תומכים הן בווידאו DisplayPort והן באודיו Ultra High Definition‏ (UHD‏) 4K‏ עם קצב רענון של 60 הרץ (Hz‏).

מאפיין USB4 משמעותי של מחברים אלו הוא יכולתם למטב את רוחב-הפס באופן דינמי תוך העברת וידאו ונתונים. לפי התקן, מחברי USB4 החדשים תואמים אחורנית ותומכים בגרסות USB קודמות כולל USB‏ 2, 3.1 ו- 3.2, אך עם כיווניות תקע וכבלים ניתנים לסיבוב עבור חוויית משתמש משופרת בהרבה. הגודל הקטן והוורסאטיליות הפונקציונלית של המחברים הופכים אותם לאידיאליים עבור שילוב בתוך טכנולוגיות מתפתחות.

תכן מכני תומך בעוצמה ובעמידות

שקעי USB4 מבית Amphenol ICC‏ מתוכננים לספק ביצועים מצוינים של 10,000 מחזורי חיבור וניתוק, ומספקים עמידות גבוהה ושחיקה מופחתת עקב פעולות מחזוריות. התמקדות בסגסוגות מתכת נחושת איכותיות בתכנון הפסים המוליכים מבטיחה התנגדות מגעים של 40 מילי-אוהם (mΩ) עם הפסדים נמוכים, ודירוג זרם מוגדל של A‏ 5‏ והעברת הספק דרך USB של עד 100 וואט.

המחברים משתמשים בקיר-צד משופר עבור הלוחית האמצעי הממקסם את שטח המגע, מייצב את ביצועי המגעים והופך אותם לחופשיים מניתורים (איור 2).

איור 2‏: תכן קיר-צד משופר של שקעי USB4 מבית Amphenol ICC‏ מעניק חיבורים "חופשיים מניתורים" עם הגנת EMI טובה יותר והגנה מכנית משופרת מפני תחיבת תקע לא-נכונה. (מקור תמונה: Amphenol ICC)

מאפיינים מכניים משופרים כוללים לוחית קיר-צד מורחבת המגיעה עד לפינת לשונית השקע לחסימת תקעים שאינם Type-C‏, כגון תקע Micro-USB, מלהיתחב פנימה. אותו קיר-צד מוארק עם לוחית-הביניים ומעניק סיכוך נוסף ו- EMI‏ מופחת. גומות נוספות על הסיכוך הפנימי מנחות את התקע ושומרות על מיקום נכון של גוף התקע במהלך התחיבה. המכלל המכני כולו מעניק ביצועי נעילה יציבים וחפיפה מרבית של שטח המגע של המשטחים המוליכים המתחברים תוך הקטנה למינימום של התנגדות המגעים. קליק נשמע בבירור מבטיח תחיבה מלאה.

משפחת המוצרים מבית Amphenol ICC‏

ישנם ארבעה שקעי USB4 Type-C‏ בהיצע המוצרים מבית Amphenol ICC‏ (איור 3).

איור 3‏: שקעי USB4 Gen 3 Type C‏ מבית Amphenol ICC‏ כוללים שלוש גירסות של הרכבה-עילית וגירסה אחת של הרכבת-ביניים. (מקור תמונה: Amphenol ICC)

השקע בהרכבה-עליונה GSB4D313302Y1HR‏ עם הרכבה בזווית ישרה מורשה כיום על ידי ה- USB-IF ומומלץ על ידי Intel לשימוש ב- Thunderbolt 4. למעטה החיצוני שלו יש חתך רוחב אחיד מלפנים לאחור עם גובה מרכז של 1.58 מילימטר (מ"מ) (המרחק ממישור ההרכבה עד ללשון המחבר).

ה- 12402056E512A‏ ו- 12402073E512A‏ הם גם כן שקעים בהרכבה-עליונה עם הרכבת חור-עובר, אך יש להם מעטה חיצוני מלבני עם גובה מרכז של 1.57 מ"מ. הרשאת התקנים של שקעים אלו היא בתהליכי אישור (בזמן כתיבת מאמר זה).

ה- 12402075E512A‏ הוא שקע בהרכבת-ביניים עם גובה מרכז של 0.47 מ"מ בלבד עבור תצורה קומפקטית יותר. גם הוא משתמש בהרכבת חור-עובר. ההרשאה של שקע זה היא גם כן בתהליכי אישור בזמן זה.

כל השקעים הללו מדורגים לפעולה על-פני תחום הטמפרטורות של 40‎°C- עד 85°C+ ההופך אותם למתאימים היטב עבור יישומים בתוך-רכב.

יישומי מחברי USB4‏

שקעים אלו ישמשו ביישומי אחסון, מערכות מידע ובידור בכלי רכב, תחנות עגינה, ממשקי התקנים היקפיים (צגים, מקרנים) ויישומים אחרים לצרכנים כגון מחשבים אישיים (לאפטופים) וטאבלטים. גודלם הקטן, התמיכה במספר אופנים ובקרת ההספק מעניקים ורסאטיליות מרשימה.

סיכום

מחברי USB Type-C, עם היכולת שלהם להתמודד עם מספר פרוטוקולי מהירות גבוהה ורמות הספק, ימצאו יישומים נוספים ככל שמשתמשים מחפשים קצב העברת נתונים מהיר יותר, יכולת טעינה מהירה ופשטות מחברים. עם USB4 המשתמשים מקבלים אופנים חלופיים ותמיכה במינהור (Tunneling‏). שיפורים אלה יבטיחו אימוץ נרחב יותר של USB4 בסביבות ויישומים מגוונים יותר ומאתגרים יותר. כדי לעזור למתכננים להתמודד, מחברי USB4 מבית Amphenol ICC‏ מתוכננים לעלות על מפרט USB-IF הבסיסי, תוך הפחתת השפעות EMI והבטחת חיבורים טובים במשך מחזורים רבים על פני תחומי טמפרטורה רחבים.