Come soddisfare i nuovi requisiti di affidabilità e integrità del segnale con USB4 Gen 3 Type-C

L'interfaccia USB4 con la sua velocità massima di trasferimento dati di 40 Gbps su due canali ha imposto ai progettisti ulteriori limiti per soddisfare i requisiti di integrità del segnale e di interferenza elettromagnetica (EMI). Inoltre, l'uso ormai onnipresente dei connettori Type-C da parte di più protocolli di dati e visualizzazione richiede che condividano la larghezza di banda disponibile sui bus. I progettisti devono anche essere sicuri che i connettori, come tutti i componenti USB4, siano certificati da più enti normativi. Altre sfide di progettazione includono l'attenuazione del rischio di danni meccanici dovuti all'inserimento errato della spina e la necessità di adattarsi a prodotti finali e modelli di utilizzo che richiedono una maggiore robustezza e caratteristiche avanzate.

La specifica USB Type-C® stabilisce i requisiti del connettore che si rivolgono alle esigenze in evoluzione dei sistemi e dei dispositivi, pur mantenendo la compatibilità con tutti i vantaggi funzionali delle forme USB esistenti. Questo articolo spiega la configurazione e le caratteristiche del connettore USB Type-C e discute le sue applicazioni. Presenta poi esempi di prese per connettori USB Type-C certificati USB4 di Amphenol ICC che supportano tutte le caratteristiche avanzate delineate nella specifica, comprese le caratteristiche aggiuntive che riducono le EMI e migliorano l'affidabilità e l'integrità meccanica del connettore.

Connettore USB4 Type-C Gen 3

Le spine e le prese USB Type-C sono specificate dall'USB Implementers Forum (USB-IF) nel documento "USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0", che copre i connettori USB4 su USB Type-C ed è disponibile gratuitamente sul sito USB-IF.

Il connettore USB-C utilizza 24 pin e fornisce alimentazione USB (USB PD), trasferimento dati, audio e uscita video in un unico connettore. La cosa più evidente dei connettori USB-C è che sono reversibili; cioè, la spina può essere inserita nella presa in entrambi gli orientamenti - una caratteristica molto apprezzata dagli utenti che hanno avuto problemi con l'inserimento dei vecchi connettori USB-A. Questa capacità è visibile osservando le assegnazioni dei segnali per le spine e le prese USB-C (Figura 1).

La disposizione dei pin centrali mostrata nella Figura 1 è quella della presa. Sono mostrati due orientamenti della spina: quello superiore è per l'orientamento normale e quello inferiore mostra la spina ruotata di 180˚. Indipendentemente dalla direzione della spina, i segnali corrispondenti sono abbinati quando si inserisce la spina.

Figura 1: Le assegnazioni dei segnali per la spina del connettore USB-C (in alto e in basso) e la presa (al centro) visti dall'interno mostrano che la rotazione di 180˚ del connettore risulta sempre nel corretto abbinamento dei segnali corrispondenti all'inserimento. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I gruppi di segnali all'interno dei connettori USB-C, evidenziati nella tabella 1, con i colori corrispondenti dei segnali dei pin del connettore dalla Figura 1 mostrano la versatilità dei connettori USB-C per l'uso in diverse applicazioni. I canali del segnale differenziale ad alta velocità possono supportare velocità di trasferimento fino a 40 Gbps e sono utilizzati sia per USB4 sia per i protocolli di tunneling e di modalità alternativa.

Tabella 1: Un riassunto dei segnali del connettore USB4 che include due canali di segnale differenziale ad alta velocità, un percorso di segnale differenziale USB 2 e segnali di alimentazione e di controllo dell'interfaccia. I colori di riempimento dei gruppi di segnali corrispondono a quelli dei corrispondenti segnali dei pin del connettore mostrati nella Figura 1. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

I protocolli in modalità alternativa supportati con USB4 includono Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) e High-Definition Multimedia Interface (HDMI). I protocolli alternativi aggiuntivi possono essere definiti e abilitati tramite handshake del protocollo USB PD utilizzando messaggi strutturati e definiti dal fornitore (VDM) per scoprire e configurare le modalità alternative.

USB PD inoltre permette ai dispositivi di negoziare il livello di potenza fornito dalla fonte. USB4 supporta un livello massimo di potenza di 100 W a 20 V a 5 A. Questa capacità può richiedere un'alimentazione programmabile. Il controllo dell'alimentazione e i cavi attivi permettono una ricarica veloce. I contratti di potenza tra i dispositivi sono negoziati utilizzando la linea del canale di configurazione (CC) con codifica bifase a 300 kilobaud, half-duplex.

Sono molti i vantaggi dell'uso di un connettore comune per tutti questi diversi protocolli che coprono applicazioni audio, video, di storage comunicazione dati. Permette anche la definizione di protocolli nuovi ed emergenti man mano che vengono sviluppati.

Le assegnazioni dei pin del connettore mostrano una disposizione di buon senso per massimizzare l'integrità del segnale. Ad esempio, le linee di dati ad alta velocità e USB 2 sono differenziali per minimizzare la diafonia e le EMI. Inoltre, tutte le linee dati sono eseguite tra i bus di alimentazione e di terra o altre linee di segnale a bassa larghezza di banda per fornire l'isolamento e le linee dati ad alta velocità sono poste su lati opposti per minimizzare la diafonia tra canali.

Caratteristiche dell'offerta di prodotti con presa USB4 di Amphenol ICC

Per aiutare ad affrontare le sfide di progettazione USB4, Amphenol ICC ha introdotto quattro prese USB4 Gen 3 che superano lo standard esistente. Sono connettori di nuova generazione che soddisfano le alte velocità di trasmissione dati dello standard fino a 40 Gbps e sono compatibili con USB PD, con l'interfaccia Thunderbolt che combina la ricarica di potenza, il tunneling USB e il trasferimento dati PCIe attraverso un unico connettore Type-C. Questi connettori supportano anche video e audio DisplayPort in altissima definizione 4K (UHD) a una frequenza di aggiornamento di 60 Hz.

Una caratteristica significativa di questi connettori USB4 è la loro capacità di ottimizzare dinamicamente la larghezza di banda durante il trasferimento di video e dati. Secondo lo standard, i nuovi connettori USB4 sono retrocompatibili, supportando così le versioni precedenti di USB come USB 2, 3.1 e 3.2, ma con spina ruotabile e orientamento del cavo per un'esperienza utente USB molto migliorata. Le piccole dimensioni dei connettori e la loro versatilità funzionale li rendono ideali per le tecnologie emergenti.

Il design meccanico supporta la potenza e la durata

Le prese USB4 di Amphenol ICC sono progettate per fornire prestazioni eccellenti per 10.000 cicli di accoppiamento, fornendo un'elevata durata e una ridotta usura da operazioni cicliche. L'attenzione posta su leghe metalliche di rame di alta qualità nella progettazione dei percorsi conduttivi assicura una resistenza di contatto a bassa perdita di 40 mΩ e una corrente nominale estesa a 5 A per l'erogazione di potenza USB fino a 100 W.

I connettori utilizzano una parete laterale migliorata per la piastra centrale che massimizza l'area di contatto e stabilizza le prestazioni del contatto rendendolo saldo (Figura 2).

Figura 2: Il design migliorato delle pareti laterali delle prese USB4 di Amphenol ICC fornisce connessioni salde con una migliore protezione contro le EMI e una migliore protezione meccanica contro l'inserimento errato della spina. (Immagine per gentile concessione di Amphenol ICC)

Le caratteristiche meccaniche migliorate includono una piastra laterale estesa che arriva fino all'angolo della linguetta della presa per evitare che vengano inserite spine non Type-C, come la spina micro-USB. La stessa parete laterale è messa a terra con la piastra centrale, fornendo un'ulteriore schermatura e ridotte EMI. Le fossette aggiunte sulla schermatura interna guidano la spina e mantengono la corretta posizione del corpo della spina durante l'inserimento. L'intero gruppo meccanico fornisce prestazioni di bloccaggio stabili e la massima sovrapposizione dell'area di contatto delle superfici conduttive accoppiate, minimizzando la resistenza di contatto. Un netto clic udibile assicura un inserimento completo.

Famiglia di prodotti Amphenol ICC

Sono quattro le prese USB4 Type-C nell'offerta di prodotti di Amphenol ICC (Figura 3).

Figura 3: Le prese USB4 Type-C Gen 3 di Amphenol ICC includono tre versioni a montaggio superiore e una versione a montaggio centrale. (Immagine per gentile concessione di Amphenol ICC)

La presa superiore GSB4D313302Y1HR con montaggio a foro passante ad angolo retto è attualmente certificata dall'USB-IF e raccomandata da Intel per l'uso con Thunderbolt 4. Il guscio esterno ha una sezione trasversale uniforme fronte/retro con un'altezza centrale di 1,58 mm (distanza dal piano di montaggio alla linguetta del connettore).

I modelli 12402056E512A e 12402073E512A sono anch'essi prese a montaggio superiore a foro passante, ma hanno un guscio esterno rettangolare con un'altezza centrale di 1,57 mm. La certificazione degli standard di queste prese è attualmente in corso.

12402075E512A è una presa a montaggio centrale con un'altezza centrale di soli 0,47 mm per una configurazione più compatta. Anche questa utilizza il montaggio a foro passante. La certificazione di questa presa è attualmente in corso.

Tutte queste prese sono classificate per un intervallo di temperatura da -40 a +85 °C, che le rende una buona combinazione per le applicazioni all'interno di un veicolo.

Applicazioni del connettore USB4

Queste prese troveranno impiego nello storage, infotainment automotive, nell'intrattenimento domestico, per il docking, nelle interfacce periferiche (monitor/display, proiettore) e in altre applicazioni consumer come notebook (laptop) e tablet. Le loro piccole dimensioni, il supporto di più modalità e il controllo della potenza forniscono un'enorme versatilità.

Conclusione

Il connettore USB Type-C, con la sua capacità di gestire più protocolli ad alta velocità e livelli di potenza, troverà più applicazioni in quanto gli utenti cercano velocità di trasferimento dati, capacità di ricarica veloce e semplicità del connettore. Con USB4, gli utenti hanno il supporto di modalità alternative e del tunneling. Questi miglioramenti garantiranno una più ampia adozione di USB4 in ambienti e applicazioni più vari e potenzialmente più difficili. Per aiutare i progettisti a tenerne conto, le prese USB4 di Amphenol ICC sono progettate per superare le specifiche USB-IF di base, mitigando gli effetti delle EMI e garantendo buone connessioni per innumerevoli cicli e ampi intervalli di temperatura.