Répondre aux nouvelles exigences de fiabilité et d'intégrité des signaux USB4 Gen 3 Type-C

L'interface USB4, avec son taux de transfert de données maximum de 40 gigabits par seconde (Gb/s) sur deux voies, impose des contraintes supplémentaires aux concepteurs qui doivent répondre aux exigences d'intégrité des signaux et d'interférences électromagnétiques (EMI). De plus, l'utilisation désormais omniprésente des connecteurs Type-C par de multiples protocoles de données et d'affichage exige qu'ils partagent la bande passante disponible sur leurs bus mutuels. Les concepteurs doivent également s'assurer que les connecteurs, comme tous les composants USB4, sont certifiés par plusieurs organismes de normalisation. Les autres défis de conception incluent l'atténuation des risques de dommages mécaniques dus à une mauvaise insertion de la fiche, ainsi que la nécessité de s'adapter aux produits finis et aux modèles d'utilisation qui exigent une plus grande robustesse et des fonctionnalités plus avancées.

La spécification USB Type-C® établit des exigences pour les connecteurs, qui répondent aux besoins évolutifs des systèmes et des dispositifs tout en maintenant la compatibilité avec tous les avantages fonctionnels des formes USB existantes. Cet article explique la configuration et les caractéristiques du connecteur USB Type-C et aborde les applications pour lesquelles il est utilisé. Il présente ensuite des exemples de prises de connecteurs USB Type-C certifiés USB4 d'Amphenol ICC prenant en charge toutes les fonctionnalités avancées décrites dans la spécification, y compris des fonctionnalités supplémentaires qui réduisent à la fois les EMI et améliorent la fiabilité et l'intégrité mécanique du connecteur.

Connecteur USB4 Gen 3 Type-C

Les fiches et prises USB Type-C sont spécifiées par l'USB-IF (USB Implementers Forum) dans le document « USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0 » qui couvre les connecteurs USB4 sur USB Type-C et est disponible gratuitement sur le site Web de l'USB-IF.

Le connecteur USB-C utilise 24 broches et fournit des capacités USB Power Delivery (USB PD), de transfert de données, audio et de sortie vidéo dans un seul connecteur. La caractéristique la plus remarquable des connecteurs USB-C est qu'ils sont réversibles, c'est-à-dire que la fiche peut être insérée dans la prise dans n'importe quel sens, une caractéristique très appréciée par les utilisateurs ayant connu des problèmes d'insertion avec les anciens connecteurs USB-A. Cette capacité peut être observée en regardant les affectations de signaux pour les prises et les fiches USB-C (Figure 1).

La disposition des broches illustrée au centre de la Figure 1 correspond à celle de la prise. Deux orientations de fiche sont représentées : celle du haut correspond à une orientation normale et celle du bas montre la fiche tournée de 180°. Quelle que soit le sens de la fiche, les signaux correspondants sont alignés lorsque la fiche est insérée.

Figure 1 : L'affectation des signaux pour le connecteur USB-C mâle (en haut et en bas) et femelle (au milieu) montre qu'une rotation de 180° de la fiche conserve l'alignement correct des signaux correspondants lors de l'insertion. (Source de l'image : Art Pini)

Les groupes de signaux dans les connecteurs USB-C — mis en évidence dans le Tableau 1, avec les couleurs correspondantes des signaux des broches du connecteur de la Figure 1 — montrent la polyvalence des connecteurs USB-C pour une utilisation dans diverses applications. Les voies de signaux différentiels haute vitesse peuvent prendre en charge des taux de transfert jusqu'à 40 Gb/s et sont utilisées à la fois pour l'USB4 et les protocoles de tunnellisation et de mode alternatif.

Tableau 1 : Récapitulatif des signaux du connecteur USB4 incluant deux voies de signaux différentiels haute vitesse, un trajet de signaux différentiels USB 2, et des signaux d'alimentation et de contrôle d'interface. Les couleurs de remplissage des groupes de signaux correspondent à celles des signaux des broches de connecteur correspondantes, comme illustré à la Figure 1. (Source du tableau : Art Pini)

Les protocoles de mode alternatif pris en charge par USB4 incluent Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) et High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Des protocoles de mode alternatif supplémentaires peuvent être définis et activés via l'établissement d'une liaison de protocole USB PD utilisant des messages structurés définis par le fournisseur (VDM) pour découvrir et configurer les modes alternatifs.

L'USB PD permet également aux dispositifs de négocier le niveau de puissance fourni par la source. L'USB4 prend en charge un niveau de puissance maximum de 100 watts (W) à 20 volts (V) et 5 ampères (A). Cette capacité peut nécessiter une alimentation programmable. Le contrôle de puissance et les câbles actifs permettent une charge rapide. Les contrats de puissance entre les dispositifs sont négociés à l'aide de la ligne de canal de configuration (CC) utilisant un codage biphase de marques à 300 kilobauds, en semi-duplex.

L'utilisation d'un connecteur commun pour tous ces différents protocoles présente de nombreux avantages, notamment pour les applications audio, vidéo, de stockage de données et de communications de données. Elle permet également de définir des protocoles nouveaux et émergents au fur et à mesure de leur développement.

L'affectation des broches du connecteur montre une disposition judicieuse pour maximiser l'intégrité des signaux. Par exemple, les lignes de données haute vitesse et USB 2 sont différentielles pour réduire la diaphonie et les interférences électromagnétiques. De plus, toutes les lignes de données sont routées entre les bus d'alimentation et de masse ou d'autres lignes de signaux à faible bande passante pour assurer l'isolation, et les lignes de données haute vitesse sont placées sur les côtés opposés pour minimiser la diaphonie entre les voies.

Fonctionnalités des produits de prises USB4 d'Amphenol ICC

Pour aider à relever les défis de conception de l'USB4, Amphenol ICC a lancé quatre prises USB4 Gen 3 qui dépassent la norme existante. Il s'agit de connecteurs nouvelle génération qui répondent aux taux de transfert de données élevés de la norme, jusqu'à 40 Gb/s, et qui sont compatibles avec USB PD, avec l'interface Thunderbolt combinant la charge d'alimentation, la tunnellisation USB et le transfert de données PCIe via un seul connecteur Type-C. Ces connecteurs prennent également en charge l'audio et la vidéo DisplayPort avec une ultra-haute définition (UHD) 4K à une fréquence de rafraîchissement de 60 Hertz (Hz).

Une caractéristique importante de ces connecteurs USB4 est leur capacité à optimiser dynamiquement la bande passante lors du transfert de vidéos et de données. Conformément à la norme, les nouveaux connecteurs USB4 sont rétrocompatibles et prennent en charge les versions USB antérieures, notamment les versions 2, 3.1 et 3.2, mais avec une fiche et un câble orientables pour une expérience utilisateur USB nettement améliorée. Grâce à leur format compact et à leur polyvalence fonctionnelle, ces connecteurs sont parfaitement adaptés à une intégration dans les technologies émergentes.

La conception mécanique favorise les performances et la durabilité

Les prises USB4 d'Amphenol ICC sont conçues pour offrir d'excellentes performances pendant 10 000 cycles de raccordement, ce qui leur confère une grande durabilité et réduit l'usure due aux opérations cycliques. L'accent mis sur les alliages cuivre-métal de haute qualité dans la conception des pistes conductrices garantit une résistance de contact de 40 milliohms (mΩ) à faible perte, et un courant nominal étendu de 5 A pour une alimentation USB PD jusqu'à 100 W.

Les connecteurs utilisent une paroi latérale améliorée pour la plaque centrale, maximisant la surface de contact et stabilisant les performances de contact, ce qui évite les déplacements (Figure 2).

Figure 2 : La conception de paroi latérale améliorée des prises USB4 d'Amphenol ICC fournit des connexions stables avec une meilleure protection EMI et une protection mécanique améliorée contre l'insertion incorrecte de la fiche. (Source de l'image : Amphenol ICC)

Les fonctionnalités mécaniques améliorées incluent une plaque latérale étendue qui atteint le coin de la languette de la prise afin d'empêcher l'insertion de fiches non Type-C, comme une fiche micro-USB. La même paroi latérale est mise à la terre avec la plaque centrale, fournissant un blindage supplémentaire et réduisant les EMI. Les indentations ajoutées sur le blindage interne guident la fiche et maintiennent la position correcte du corps de la fiche pendant l'insertion. L'assemblage mécanique global offre des performances de verrouillage stables et un chevauchement maximum des surfaces de contact et des surfaces conductrices correspondantes, minimisant la résistance de contact. Un fort clic audible garantit l'insertion complète.

Gamme de produits d'Amphenol ICC

L'offre de produits d'Amphenol ICC comprend quatre prises USB4 Type-C (Figure 3).

Figure 3 : Les prises USB4 Gen 3 Type-C d'Amphenol ICC incluent trois versions à montage supérieur et une version à montage central. (Source de l'image : Amphenol ICC)

La prise GSB4D313302Y1HR à montage supérieur avec montage traversant à angle droit est actuellement certifiée par l'USB-IF et recommandée par Intel pour l'utilisation de Thunderbolt 4. Son capot extérieur présente une section transversale uniforme d'avant en arrière avec une hauteur centrale de 1,58 millimètre (mm) (distance du plan de montage à la languette du connecteur).

Les modèles 12402056E512A et 12402073E512A sont également des prises à montage supérieur avec montage traversant, mais ils sont dotés d'un capot extérieur rectangulaire avec une hauteur centrale de 1,57 mm. La certification aux normes de ces prises est en cours (au moment de la rédaction de ce document).

Le 12402075E512A est une prise à montage central avec une hauteur centrale de seulement 0,47 mm pour une configuration plus compacte. La prise utilise également un montage traversant. Cette prise est également actuellement en attente de certification.

Toutes ces prises sont répertoriées pour un fonctionnement sur une plage de températures de -40°C à +85°C, et constituent un bon choix pour les applications embarquées.

Applications du connecteur USB4

Ces prises peuvent être utilisées dans les applications de stockage, d'infodivertissement automobile, de divertissement à domicile, de stations d'accueil, d'interfaces périphériques (moniteur/écran, projecteur) et d'autres applications grand public comme les ordinateurs portables et les tablettes. Leur format compact, la prise en charge de plusieurs modes et le contrôle de la puissance leur confèrent une grande polyvalence.

Conclusion

Le connecteur USB Type-C, avec sa capacité à gérer plusieurs protocoles haute vitesse et plusieurs niveaux de puissance, trouvera de plus en plus d'applications à mesure que les utilisateurs recherchent des taux de transfert de données plus élevés, une capacité de charge rapide et une simplicité de connexion. Avec l'USB4, les utilisateurs bénéficient de modes alternatifs et de la prise en charge de la tunnellisation. Ces améliorations permettront une adoption plus large de l'USB4 dans des applications et des environnements plus diversifiés et potentiellement plus difficiles. Pour aider les concepteurs, les prises USB4 d'Amphenol ICC sont conçues pour dépasser la spécification USB-IF de base, en atténuant les effets des EMI et en garantissant des connexions correctes pendant de nombreux cycles et sur de larges plages de températures.