מחשוב מודרני ואלקטרוניקה לצרכנים מסתמכים רבות על ממשקים סדרתיים מהירים כדי להעביר נתונים בין מכשירים, היקפים, אחסון. USB 3.2 ו Thunderbolt הם שניים מהסטנדרטים הבולטים ביותר, המאפשרים הכל מהעברות קבצים מהירות לסטרימינג וידאו ברזולוציה גבוהה ומדרכה. עיצוב חומרה שמממנת באופן מלא את ממשקים אלה דורש הבנה עמוקה של שלמות, ניהול חשמל, תאימות אלקטרומגנטית, ובדיקה זו של ממשקים קריטיים לפיתוח ביצועים.

הבנה של USB 3.2 ו- Thunderbolt

USB 3.2 הוא התיקון השלישי של תקן האוטובוסים של Universal Serial, המציע שיעורי נתונים של 5 Gbps (Gen 1), 10 Gbps (Gen 2), ועד 20 Gbps (Gen2x2) באמצעות שני נתיבים של מחבר USB-C. בעוד שהוא תואם לאחור עם גרסאות USB קודמות וממשיך לשלוט בשוק היקפי עקב רמות ה- ubiquity ועלויות נמוכות.

מנקודת מבט עיצוב, USB 3.2 הוא פשוט יותר ליישם כי הוא משתמש זוג שונה יחיד לכל נתיב ומסתמך על הבקר המארח לטיפול בפרוטוקול. Thunderbolt, עם זאת, כרוך מנהרה מורכבת של פרוטוקולים מרובים ודורש סיליקון בקר ייעודי, ניהול כבל פעיל, הסמכה קפדנית כדי להבטיח את יכולת הדדית.למרות הבדלים אלה, עקרונות עיצוב מהיר יסודי - שליטה, שליטה חוצה, כוח, יושרה תרמית וניהול תרמי - שניהם ניהול.

שיקולים עיצוביים

המונחים: integrity

שמירה על שלמות אותות PCB היא הגורם הקריטי ביותר עבור תפעול אמין בשיעורי נתונים רב-גיגהביט.עבור USB 3.2 (עד 10 Gbps לכל נתיב) ו Thunderbolt (עד 20 Gbps לכל נתיב), אפילו הפסקות קטנות של אי-התאימות יכולות להפיג את תרשים העין, המוביל לשגיאות או קישור מחדש. מעצבי חייב להשיג מדדים מבוקרים שונים של 90 גרם ל- 25% ל-USBOL עבור מהירות נמוכה ו-3.2.

פסליין או microstrip routing ניתן להשתמש, אבל פסליין מציעה הגנה טובה יותר מרעש חיצוני עלות מורכבות ערימה PCB מוגברת. רוסטינג צריך להימנע פינות מעלות - שימוש 45 מעלות chamfers או עקבות מעוקלים כדי למזער השתקפות.אורך של כל זוג אחר חייב להיות מותאם בתוך 5 mils (0.127 מ"מ) כדי למנוע את העשש בין אותות חיוביים ושליליים, אשר יכול להיות שונה אפילו יותר עבור רמות G2 גרם).

קרוסד מסימנים מהירים או מקווי השעון חייב להיות ממזער על ידי שמירה על ספיגה נאותה - באופן זמני לפחות 3 עד 5 פעמים רוחב העקבי למגירה הקרובה ביותר.על עקבות משמר הקרקע בין זוגות שונים יכול עוד להפחית את החצוצרה אך דורש תפרים זהירים דרך לוחות.ב multilayer, להימנע מפענח זוגות במהירות גבוהה ישירות או מתחת למטוסים רועשים; שכבת קרקע ייעודית מתחת לשכבה האידיאלית היא שכבה אידיאלית.

חומרים PCB ו- Stack-Up

סטנדרטי FR PCB-4 dielectric הוא לעתים קרובות לא מספיק עבור 20 + Gbps אותות בשל אובדן גבוה שלה ניוון דיאלקטרי וריאציות קבוע dielectric עם תדירות. עבור Thunderbolt ו- USB 3.2 Gen 2x2, לשקול חומרים נמוכים אובדן כגון מגטרון 6, רוג'רס 4350B, או ISOLA I-Speed.הערימה צריך לספק לפחות שני מטוסים קרקעיים ייעודיים עבור ניהול הנוכחי, עם שכבות מהירות גבוהה להציב קרוב ל-קומתק (כאלה), כמו למשל, 2 ליטר הבקרה).

אספקה וניהול

גם USB 3.2 וגם Thunderbolt תמיכה באספקת חשמל, אבל מפרטים ונתוני יישום שונים באופן משמעותי.משלוח USB Power (USB PD) יכול לנהל משא ומתן על מתחים עד 48 V וזרמים עד 5 A (240 W עבור טווח הכוח המורחבת האחרון) Thunderbolt 4 מחייב מינימום של 15 WOC (V/3) עבור מכשירים המופעלים על ידי אוטובוסים, אבל רבים Thunderbolt מארחים ורכזים תמיכה עד 100 באמצעות ממשק USB, באמצעות ממשק USB, דורש לחץ על ידי הפעלת כוח USB, כולל זרם ההפעלה.

שיקולים של עיצוב חשמל מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0) הגנה זמנית וקצרת-חברתית:03FLT) 1 השתמש מתגי כוח USB ייעודיים ב-PD עם הגבלת הנוכחית, קפבק, וסגרה תרמית.ה מתג חייב לטפל בזרמים מהתפרצויות גדולות של קפיטורים גדולים ללא להזדקק מוקדם.
  • (FLT:0) ניהול רב-עוצמה: 1.10.10.1 משלוח כוח גבוה (למשל, 100 W) מייצר חום משמעותי במחבר, עקבות PCB ומגישים כוח.מוודא מספיק משקל נחושת (2 oz או יותר) ודרכי תרמיים כדי לנתק חום. Place ליד המחברת והכוח מ-MosFET כדי לפקח על תנאי מזג אוויר.
  • (FLT:0)Decoupling and ripple:cioFLT:1 , ממשקים מהירים הם רגישים לרעש אספקת חשמל. השתמש בציפוי קרמיקה נמוכים בקלט של כל רכבת כוח, עם מיקום זהיר כדי למזער את החדירה אינדוקציה. עבור 3.3 V ו-1.8 V רכבות לספק PHY במהירות גבוהה, להשתמש LDOs ייעודי או מעברים נמוכים עם פסגות מתחת ל 10Vriptp מתחת ל-p.
  • (FLT:0) ירידה בלחץ המתח של VBUS: 1) כבל USB-C ו- PCB עקבות לתרום לירידה מתח. עבור יישומים בעלי עוצמה גבוהה, השתמש קווי תחושה (VirFLT:2BUSFLT 3 SENSE) כדי לפצות על ירידה במחברת.

חיבור ואיכות הכבלים

מחבר USB-C הוא ממשק הפיזי של USB 3.2 ו Thunderbolt. בעוד המחבר סטנדרטי, לא כל כבלי USB-C ומחברים נוצרים שווים. Full-featured 4 כבלים פעיל, מכילים שבבים חוזרים כדי לשחזר אותות תצוגה מוגדר, ולתמוך עד 2 מטרים ב 40 Gbps.

עבור פריסת PCB ליד המחבר, בצע את ההנחיות האלה:

  • הניחו את המחבר קרוב ככל האפשר לקצה הלוח כדי למזער את אורך ה- stub.
  • עיין בזוגות השונים ישירות מן המחבר עם עדשות מינימליות וללא בנדים חדים.
  • כולל דיודות הגנה ESD על קווי המהירות המהירים (למשל, טלוויזיותS דידות עם קיבול נמוך, פחות מ-0.5 pF) ממוקמים קרוב ככל האפשר כדי להקליד טראנסים.
  • לספק שפך מוצק מתחת לחבר ולחבר אותו עם מספר רב של דרך אל המטוס הקרקע.

עבור מבחר כבל חיצוני, מעצבים צריכים לציין כבלים אשר מוסמכים על ידי תוכניות תאימות USB-IF או Intel Thunderbolt.שימוש כבלים לא מאוישים יכול להוביל לאובדן אות, שולי עיניים עניים, ובעיות בין-אופרציה.

שיקולים EMI/EMC

ממשקים מהירים ידועים לשמצה לייצור הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) בשל שיעורי קצה מהירים ונזקים גבוהים. עבור USB 3.2 ו Thunderbolt, תדירות היסוד יכולה לעלות על 5 GHz (עבור 20 Gbps נתונים), כלומר את האדמות ההרמוניות השלישית בטווח 15 GHz.

  • (ב) ⁇ :0 ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Common-mode סינון: FIRLT:1 חנקות Common-mode (CMCs) להציב על זוגות שונים יכולים לדכא רעש משותף ללא השפעה על אותות שונים. בחר CMCs עם זעזוע נפוץ גבוה בתדירות ההפעלה (למשל, 2-10 GHz) ואובדן נמוך.
  • (FLT:0Ground תפרים: 1FLT) לאורך קצה ה- PCB ליד המחבר, מקום תפרים דרך כל 2–3 מ"מ כדי לחבר את המטוס הקרקע לקרקע.
  • (FLT:0) ספדור-ספקטרום שעון: ההרחבה 1 (FLT:1), אם שעון המערכת הוא טוטלי, מאפשר סימולציה פרו-ספקטרום להפחית את רמות ה-EMI.זה נפוץ בקרים Thunderbolt.

בחירה: חוזרים, רדרס, ו-Re-Timers

במהירויות הכרוכות, ירידה אות על עקבות ה- PCB (לעתים קרובות 10-15 אינץ 'עבור לוח שולחן עבודה) יכול לעלות על יכולת השווי של המקלט. רדורס הם ליניאריים או מגבילים מגברים שמגבירים את עוצמת האות ויכולים לספק קצת שוויון, אבל הם לא לנקות את ג'ייטר או ג'ייטר (RDR) לשימוש חוזר על גבי זמן קצר יותר (CDR) להחלפת נתונים, אך הם לעתים קרובות לנקות את ה- 2 ס"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ) לשימוש חוזר (R) למשך 2 ס"מ) למשך 2 ס"מ- 2.

בעת בחירת חוזר, לשקול את צריכת החשמל שלה, השוואת הגדרות הקש (CTLE, DFE), ותמיכה לשיעורי הנתונים הספציפיים. חלק מהחזרים הם USB-C ספציפי ושילוב של זיהוי כבל וכיוון . לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם ספק הסיליקון כדי להבטיח את הכוונון של רטינר מותאם אישית עבור פרופיל אובדן ערוץ ספציפי.

ניהול ארס

ממשקים מהירים גבוהים מייצרים חום מ השבב בקר (במיוחד Thunderbolt, המשלב את PCIe ו- DisplayPort גשרים), ה- ICs, ואת מתגי כוח משלוחים. העומס התרמי הכולל יכול לעלות על 10-15 W בעיצוב של Thunderbolt. adequate קירור חייב להיות מסופק באמצעות שפכות נחושת, דרך תרמי, ואולי חום או צומת אוויר.

סימולציה תרמית מוקדם במחזור העיצוב מומלץ, במיוחד עבור קומפקטיות. השתמש כריות תרמיות להעביר חום מן ICs אל מתכת כאסאסאסי או מפיץ חום ייעודי. עבור PD כוח גבוה כוח USB, לשקול הצבת מתגי הכוח ליד קצה הלוח עם נתיבים תרמיים ישירים אל המתחם.

בדיקות והתאמה

העברת בדיקות תאימות היא תנאי מוקדם שיווק מוצר עם USB או Thunderbolt מיתוג. תהליכי הסמכה מפורטים ומטושטשים.

אישור USB-IF

פורום ה-USB-IF דורש שכל המכשירים באמצעות USB3.2 עוברים בדיקות במעבדה לבדיקות מוסמכת.

  • (FLT:0) יושרה שפיר: 1FLT 1 המדידות העין בנמלי המארח והמכשיר חייבים לעמוד בשוליי המסכות המפורטים לכל ציון מהירות.
  • (FLT:0) Power Delivery:BuildFLT:1 ופרופילים נוכחיים, תזמון ההסרה של VBUS חייב לציית למפרטים של PD USB.
  • (ב) ראטד:0 (EMI/EMC:FLT:1, רדיפת ובוצעת פליטות חייבת ליפול בתוך גבולות FCC/CE.
  • (ב) ,0) , הבין-מידתיות: 1.10LT:1, המכשיר חייב לעבוד עם מערך התייחסות של מארחים ורכזות מסחריים.

מעצבים צריכים לבקש את ה-USB-IF של LT:0 (לא להעיד על מסמכי תאימות FLT:1 ו- Design-in חומרה שמתאימה להגדרה של מבחן ההתייחסות.

אישור Thunderbolt

אינטל מנהלת את תוכנית הסמכה Thunderbolt.זה יותר מעורב מ- USB-IF כי Thunderbolt משלב PCIe ו DisplayPort. ההסמכה כוללת:

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) בדיקות פרוטוקול: 1FLT:1 PCIe חזק, תצוגה בין-אופרציה, והתנהגות daisy-שרשרת יש לאמת.
  • (FLT:0) Power Delivery:IRFLT:1 דרישות PD ספציפיות של Thunderbolt (למשל, 15 W מינימום למכשירים המופעלים על ידי אוטובוס) יש לאמת.
  • (ב) בדיקות תמ"א: 1 (FLT) 1 (המכשיר חייב לפעול בתוך גבולות תרמיים תוך שמירה על תעבורת נתונים ואספקת חשמל בו זמנית.

רק מכשירים העוברים את כל הבדיקות מקבלים את הלוגו של Thunderbolt והם רשומים במאגר הרשמי תאימות.

מבחן אינטגרליות אותות בבית

במהלך הפיתוח, מהנדסים צריכים לבצע את המדידות הבאות באמצעות אוקטילוסקופ גבוה (למשל 12-20 GHz):

  1. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  2. (FLT:0)TDR (Time Reflectome): פרופיל 1FirLT 1 המדהההה לאורך הזוג השונה מ- IC לחבר.חפש טיפות או מכהות של ± 10% מההמטרה 90 ⁇ .
  3. (FLT:0) אי-הסרה והפסד החזרה: FLT:1 השתמש ב-VNA או ב- בזמן אמת oscilloscope עם S-parameter לחלץ לאפיין את הערוץ. בהשוואה לתקציב אובדן הערוץ המומלץ של היצרן הסיליקון (למשל, פחות מ-10 dB ב-10 GHz עבור Thunderbolt).
  4. (ב) [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]], [הבא] [ה'] [ה']] [ה']]] [ה']], [ה'], [ה'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''

טכניקות ליברט מתקדמות

Pair רוסינג משמעת

עבור USB 3.2 ו Thunderbolt, כל זוג שונה חייב להיות מודרך עם מספר אפילו של דרך למנוע אי סבילות קוטב. כאשר שינויים שכבתיים הם בלתי נמנעים, להשתמש בשני דרך (אחד עבור כל זכר) ממוקם באופן סימטרי ביחס לצמד, וכולל תפרים קרקעיים דרך רצפה ליד לספק נתיב החזרה. להימנע מפענוח זוגות שונים על פני רִיק המטוס (למשל, מתחת לפות) תחת פתחים אלה).

AC Coupling Capacitors

שני הממשקים דורשים ציפוי AC הפיכה על שידור זוגות שונים ליד המחבר לחסום את מתח משותף DC.הערך Capacitor הוא בדרך כלל 100 nF עד 330 nF, עם חבילה קטנה (0402 או 0201) כדי למזער inductance parasitic. Place the capacitors קרוב ככל האפשר לחיבור, ולהבטיח את רוחב המעקב מותאם לשמור על 90 שטף מתחת לצוואר - לעתים קרובות תחת השרוולים.

הגנה על ESD

בנוסף לאספקת החשמל להגנה עדכנית, קווי הנתונים המהירים דורשים הגנה ESD. בחר טלוויזיות עם קפיאנטות אולטרה-נמוכות ( ⁇ 0.3 pF) כדי להימנע מפגיעה באמינות האותות.מקם אותם קרוב לחבר עם עקבות קצרות לקרקע (פחות מ 50 מילימטרים). אינספור דיודות טלוויזיה במקביל לא לשפר את הביצועים; במקום להשתמש במכשיר חד-פעמי, נמוך.

מסקנה

תכנון ממשקים מהירים עבור USB3.2 ו Thunderbolt דורש גישה קפדנית כי מכסה יושרה, ניהול חשמל, עיצוב תרמי ובדיקות תאימות. מחבר USB-C המשותף אינו מפשט את האתגרים - להיפך, את שיעורי הנתונים המוגדלים ואת רמות הכוח לדחוף חומרים ניהול PCB, מפרטי פריסה, ובחירת רכיב למגבלות שלהם.