Erfüllen der neuen Zuverlässigkeits- und Signalintegritätsanforderungen für USB4 Gen 3 Typ-C

Die USB4-Schnittstelle mit ihrer maximalen Datenübertragungsrate von 40 Gigabit pro Sekunde (Gbits/s) über zwei Spuren hat die Entwickler zusätzlich unter Druck gesetzt, die Anforderungen an die Signalintegrität und elektromagnetische Interferenz (EMI) zu erfüllen. Darüber hinaus erfordert die inzwischen allgegenwärtige Verwendung von Typ-C-Steckverbinder durch mehrere Daten- und Anzeigeprotokolle, dass sie sich die verfügbare Bandbreite über ihre gemeinsamen Busse teilen. Entwickler müssen auch darauf achten, dass die Steckverbinder, wie alle USB4-Komponenten, von mehreren Standardorganisationen zertifiziert sind. Weitere Herausforderungen bei der Konstruktion sind die Minimierung des Risikos mechanischer Beschädigungen durch falsches Einstecken von Steckern sowie die Notwendigkeit, sich an Endprodukte und Nutzungsmodelle anzupassen, die eine größere Robustheit und erweiterte Funktionen erfordern.

Die Spezifikation für USB Typ-C® legt Anforderungen an Steckverbinder fest, die den sich entwickelnden Anforderungen von Systemen und Geräten gerecht werden und gleichzeitig die Kompatibilität mit allen funktionalen Vorteilen bestehender USB-Formen beibehalten. Dieser Artikel erklärt den Aufbau und die Eigenschaften des USB-Typ-C-Steckverbinders und geht auf die Anwendungen ein, für die er verwendet wird. Anschließend werden USB4-zertifizierte USB-Typ-C-Steckverbinderbeispiele von Amphenol ICC vorgestellt, die alle in der Spezifikation beschriebenen erweiterten Funktionen unterstützen, einschließlich zusätzlicher Funktionen, die sowohl die EMI reduzieren als auch die Zuverlässigkeit und mechanische Integrität des Steckverbinders verbessern.

USB4-Typ-C-Steckverbinder der 3. Generation

Die USB-Typ-C-Stecker und -Buchsen werden vom USB Implementers Forum (USB-IF) im Dokument „USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0“ spezifiziert, das auch USB4 über USB-Typ-C-Stecker abdeckt und auf der USB-IF-Website kostenlos erhältlich ist.

Der USB-C-Steckverbinder verwendet 24 Pins und bietet USB Power Delivery (USB PD), Datenübertragung, Audio- und Videoausgabe in einem Steckverbinder. Das Auffälligste an den USB-C-Steckern ist, dass sie wendbar sind, d. h. der Stecker kann in beiden Richtungen in die Buchse gesteckt werden - ein Merkmal, das von Anwendern sehr geschätzt wird, die Probleme beim Einstecken der alten USB-A-Stecker hatten. Diese Fähigkeit wird deutlich, wenn man sich die Signalbelegung der USB-C-Stecker und -Buchsen ansieht (Abbildung 1).

Die in Abbildung 1 gezeigte mittlere Stiftanordnung ist die der Steckbuchse. Es sind zwei Steckerausrichtungen dargestellt: die obere ist für die normale Ausrichtung und die untere zeigt den Stecker um 180˚ gedreht. Unabhängig von der Steckrichtung werden entsprechende Signale beim Einstecken des Steckers abgeglichen.

Abbildung 1: Die Signalbelegung des USB-C-Steckers (oben und unten) und der Buchse (Mitte) mit Blick in das jeweilige Teil zeigt, dass eine 180˚-Drehung des Steckers immer noch zu einer korrekten Zuordnung der entsprechenden Signale beim Einstecken führt. (Bildquelle: Art Pini)

Die in Tabelle 1 farblich hervorgehobenen Signalgruppen innerhalb von USB-C-Steckverbindern mit den dazugehörigen Steckerstiftsignalen aus Abbildung 1 zeigen die Vielseitigkeit von USB-C-Steckverbindern für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen. Die Highspeed-Differenzsignalpfade können Übertragungsraten von bis zu 40 Gbit/s unterstützen und werden sowohl für USB4 als auch für Alternativ- und Tunneling-Protokolle verwendet.

Tabelle 1: Eine Zusammenfassung der USB4-Steckersignale, die zwei Highspeed-Differenzsignalpfade, einen USB-2-Differenzsignalpfad sowie Stromversorgungs- und Schnittstellensteuersignale umfasst. Die Füllfarben der Signalgruppen entsprechen denen der entsprechenden Steckerstiftsignale, die in Abbildung 1 dargestellt sind. (Tabellenquelle: Art Pini)

Zu den über USB4 unterstützten Alternativprotokollen gehören Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) und High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Zusätzliche Alternativprotokolle können über einen USB-PD-Protokoll-Handshake definiert und aktiviert werden, wobei strukturierte, herstellerdefinierte Nachrichten (VDM) verwendet werden, um die alternativen Modi zu erkennen und zu konfigurieren.

USB-PD ermöglicht es den Geräten auch, die von der Quelle gelieferte Leistung auszuhandeln. USB4 unterstützt einen maximalen Leistungspegel von 100 Watt bei 20 Volt und 5 Ampere (A). Diese Fähigkeit kann eine programmierbare Spannungsversorgung erfordern. Leistungsregelung und aktive Kabel ermöglichen schnelles Laden. Die Leistungsvereinbarungen zwischen den Geräten werden über die Konfigurationskanalleitung (CC) mit Biphase-Mark-Codierung bei 300 Kilobaud, halbduplex, ausgehandelt.

Die Verwendung eines gemeinsamen Steckverbinders für all diese unterschiedlichen Protokolle, die Anwendungen in den Bereichen Audio, Video, Datenspeicherung und Datenkommunikation abdecken, bietet viele Vorteile. Es ermöglicht auch die Definition von neuen und aufkommenden Protokollen, während sie entwickelt werden.

Die Steckerbelegung zeigt ein sinnvolles Layout, um die Signalintegrität zu maximieren. Zum Beispiel sind die Highspeed- und USB-2-Datenleitungen differenziell, um Übersprechen und EMI zu minimieren. Darüber hinaus werden alle Datenleitungen zwischen Strom- und Massebussen oder anderen Signalleitungen mit geringer Bandbreite verlegt, um eine Isolierung zu gewährleisten, und die Highspeed-Datenleitungen werden auf gegenüberliegenden Seiten des Layouts platziert, um das Übersprechen von Spur zu Spur zu minimieren.

Merkmale des USB4-Steckbuchsenangebots von Amphenol ICC

Um die Design-Herausforderungen von USB4 zu meistern, hat Amphenol ICC vier USB4-Gen-3-Steckbuchsen vorgestellt, die den bestehenden Standard übertreffen. Es handelt sich um Steckverbinder der nächsten Generation, die die hohen Datenübertragungsraten des Standards von bis zu 40 Gbit/s erfüllen und mit USB PD kompatibel sind. Die Thunderbolt-Schnittstelle kombiniert Ladebetrieb, Tunneling-USB und PCIe-Datenübertragung über einen einzigen Typ-C-Steckverbinder. Diese Steckverbinder unterstützen außerdem sowohl DisplayPort-Video als auch Audio mit 4K Ultra High Definition (UHD) bei einer Bildwiederholfrequenz von 60 Hertz (Hz).

Ein wesentliches Merkmal von USB4 ist die Fähigkeit, die Bandbreite bei der Übertragung von Video und Daten dynamisch zu optimieren. Gemäß dem Standard sind die neuen USB4-Stecker abwärtskompatibel und unterstützen frühere USB-Versionen, einschließlich USB 2, 3.1 und 3.2, jedoch mit wendbarer Stecker- und Kabelausrichtung für ein deutlich verbessertes USB-Benutzererlebnis. Durch ihre geringe Größe und funktionale Vielseitigkeit sind die Steckverbinder ideal für den Einsatz in neuen Technologien.

Mechanischer Aufbau unterstützt Leistung und Haltbarkeit

Die USB4-Steckverbinder von Amphenol ICC sind so konzipiert, dass sie eine hervorragende Leistung für 10.000 Steckzyklen bieten und somit eine hohe Haltbarkeit und einen geringeren Verschleiß durch zyklische Vorgänge aufweisen. Der Fokus auf hochwertige Kupfer-Metall-Legierungen bei der Konstruktion der Leiterbahnen sorgt für einen verlustarmen 40 Milliohm (mΩ) Übergangswiderstand und eine erweiterte Stromstärke von 5 A für eine USB-Leistungsabgabe von bis zu 100 Watt.

Die Steckverbinder verwenden eine verbesserte Seitenwand für die Mittelplatte, die die Kontaktfläche maximiert und die Kontakte stabilisiert, so dass sie wackelfrei ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das verbesserte Seitenwanddesign der USB4-Steckbuchsen von Amphenol ICC bietet „wackelfreie“ Verbindungen mit besserem EMI-Schutz und verbessertem mechanischen Schutz gegen falsches Einstecken. (Bildquelle: Amphenol ICC)

Zu den verbesserten mechanischen Merkmalen gehört eine verlängerte Seitenwandplatte, die bis zur Ecke der Buchsenzunge reicht, um das Einstecken von Nicht-Typ-C-Steckern, wie dem Micro-USB-Stecker, zu verhindern. Die gleiche Seitenwand ist mit der Mittelplatte geerdet, was eine zusätzliche Abschirmung und reduzierte EMI bietet. Zusätzliche Vertiefungen auf dem Innenschild führen den Stecker und halten die korrekte Position des Steckerkörpers beim Einstecken. Der gesamte mechanische Aufbau sorgt für eine stabile Verriegelung und eine maximale Überlappung der Kontaktflächen, wodurch der Übergangswiderstand minimiert wird. Ein kräftiges, hörbares Klicken gewährleistet das vollständige Einsetzen.

Die Produktfamilie von Amphenol ICC

Es gibt vier USB4-Typ-C-Steckbuchsen im Produktangebot von Amphenol ICC (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die USB4-Gen-3-Typ-C-Steckbuchsen von Amphenol ICC umfassen drei oberseitig montierbare Versionen und eine mittig montierbare Version. (Bildquelle: Amphenol ICC)

Die oberseitig montierbare Steckbuchse GSB4D313302Y1HR für die rechtwinklige Durchsteckmontage wurde von der USB-IF zertifiziert und wird von Intel für den Einsatz von Thunderbolt 4 empfohlen. Der Außenmantel hat einen einheitlichen Querschnitt von der Front bis zur Rückseite mit einer Mittenhöhe von 1,58 Millimeter (mm) (Abstand von der Montageebene bis zur Steckerzunge).

Die 12402056E512A und 12402073E512A sind ebenfalls oberseitig montierbare Steckverbinder für die Durchkontaktierung, haben aber ein rechteckiges Außengehäuse mit einer Mittenhöhe von 1,57 mm. Die Normzertifizierung dieser Steckbuchsen steht noch aus (zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels).

Die 12402075E512A ist eine mittig montierbare Steckbuchse mit einer Mittenhöhe von nur 0,47 mm für eine kompaktere Konfiguration. Sie wurde ebenfalls für die Durchsteckmontage ausgelegt. Auch für diese Steckbuchse steht die Zertifizierung noch aus.

Alle diese Steckverbinder sind für den Betrieb in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C ausgelegt und eignen sich daher gut für Anwendungen im Fahrzeug.

USB4-Steckverbinderanwendungen

Diese Steckbuchsen werden in den Bereichen Lagerung, Infotainment im Automobilbereich, Home-Entertainment, Docking, Peripherie-Schnittstellen (Monitor/Display, Projektor) und anderen Verbraucheranwendungen wie Notebooks (Laptops) und Tablets zum Einsatz kommen. Ihre geringe Größe, die Unterstützung mehrerer Betriebsarten und die Leistungsregelung bieten eine enorme Vielseitigkeit.

Fazit

Der USB-Typ-C-Steckverbinder mit seiner Fähigkeit, mehrere Highspeed-Protokolle und Leistungsstufen zu nutzen, wird immer mehr Anwendungen finden, da die Benutzer schnellere Datenübertragungsraten, schnellere Ladefähigkeit und Einfachheit des Steckens wünschen. Mit USB4 erhalten Anwender alternative Modi und Tunneling-Unterstützung. Diese Verbesserungen sorgen für eine breitere Akzeptanz von USB4 in vielfältigeren und potenziell raueren Umgebungen und Anwendungen. Um Entwicklern zu helfen, dies zu berücksichtigen, sind die USB4-Steckbuchsen von Amphenol ICC so konzipiert, dass sie die grundlegende USB-IF-Spezifikation übertreffen, die Auswirkungen von EMI abschwächen und gute Verbindungen über viele Zyklen und weite Temperaturbereiche hinweg gewährleisten.