USB 3.2 ve Thunderbolt Interfaces için yüksek hızlı tasarım dikkate alınır

Modern hesaplama ve tüketici elektronikleri, bu arayüzlerden yararlanan yüksek hızlı seri arayüzlere büyük ölçüde güveniyor, sinyal bütünlüğü, güç yönetimi, elektromanyetik uyumluluk ve depolama testleri.Bu makale, sağlam, yüksek performanslı USB 3.2 ve Thunderbolt arabirimleri için kritik mühendislik gözlüğünden iki tanesini araştırıyor.

USB 3.2 ve Thunderbolt'ı anlamak

USB 3.2, USB-C bağlantılarının üçüncü büyük revizyonudur ve 5 Gbps (Gen 1), 10 Gbps (Gen 2) ve Apple ile işbirliği içinde 20 Gbps (Gen 2x2) ve DisplayPort protokollerinin tek bir arayüze kadar gerisi yoktur.

Bir tasarım perspektifinden, USB 3.2 uygulamak daha basittir, çünkü bu farklılıkları sağlamak için tek bir diferansiyel çift kullanır ve protokol işleme için ev sahibi kontrole dayanır.Aşırtıcılık, güç bütünlüğü ve termal yönetim - her ikisine de karmaşık kontrol gerektirir.

Anahtar Tasarım Tahminleri

Signal Integrity

Sinyal bütünlüğü sağlamak, çok-gigabit veri oranlarında güvenilir bir işlem için en kritik faktördür. USB 3.2 ( şerit başına 10 Gbps'ye kadar) ve Thunderbolt (önemli iki Gbps'ye kadar), küçük dürtüsel sonsuzluklar bile göz diyagramı, biraz hataya veya bağlantıya yol açmamalıdır. Tasarımcılar kontrol edilebilir bir şekilde engellenmeli 90 0-6 ve ±15% 20 Gbps'ye kadar yüksek hızlu yüksek hız çiftleri için USB 3.2 ve yüksek hıza sahip olmalıdır.

Strip veya mikrostrip routing kullanılabilir, ancak striptiz çizgisi, yüksek çözünürlükte artan PCB yığınının maliyetinde dış gürültüden daha iyi kalkan sunar. Routing 90 derece köşelerden kaçınmalıdır - 45 derece chamfers veya eğrili izlerini kullanarak her iki telin uzunluğu 5 milyonda eş olmalıdır. (0.127 mm) skew'yi olumlu ve olumsuz sinyaller arasında durdurmayı önlemek için, ki bu da farklı iki çubuk ve iki TX'i kullanır.

Üst düzey hızlı sinyaller veya saat hatlarından gelen çapraztalk, yeterli miktarda kesintiye devam ederek en az 3 ila 5 kez sinyal katmanının altındaki bir zemin tabakasının altındaki bir zemin tabakasının daha fazla haçlı izi azaltabilir, ancak çok katmanlı tahtalarda dikkatli dikme gerekir, yüksek hızda çiftleri doğrudan veya daha gürültülü güç düzlemleri altından kaçınır; sinyal katmanı altında özel bir zemin katmanı idealdir.

PCB Malzemeler ve Stack-Up

Standart FR-4 dielektrik genellikle 20+ Gbps sinyalleri için yetersizdir, çünkü yüksek kayıp tanjant ve dielektrik sürekli varyasyonu frekans ile.For Thunderbolt and USB 3.2 Gen 2x2, Megtron 6, Rogers 4350B veya ISOLA I-Speed.

Güç Teslimatı ve Yönetimi

USB 3.2 ve Thunderbolt güç teslimiyetini destekler, ancak özellikleri ve uygulamaları önemli ölçüde farklıdır. USB Power Delivery (USB PD) 48 V ve mevcut güç yollarında 5 A (240 W for the latest Extended Power Range) için dikkatli bir şekilde pazarlık yapabilir. 4 Power teslimat kontrolörü B) B (Hong) ile iletişim kurun (PD) USB-C bağlantı noktalarına kadar birçok bağlantı ve ağ geçidi bağlantı noktalarına kadar bağlantı kurun.

Anahtar güç tasarım konuları şunlardır:

Kablo Kalitesi ve Kablo Kalitesi

USB-C konektörü hem USB 3.2 hem de Thunderbolt için fiziksel arayüzdür. Bağlantı standartlaştırılmış olsa da, USB-C kabloları ve konektörleri eşit olarak oluşturulur. Tam özellikli 4 kablolar aktiftir, doğru zemin ve kalkan ile tekrarlayıcı çipler içerir.

Bağlantının yakınında PCB düzeni için, bu yönergeleri izleyin:

Dış kablo seçimi için, tasarımcılar USB-IF veya Intel Thunderbolt uyum programları tarafından onaylanmış kablolar belirtmelidir.Kayıtsız kablolar kullanarak sinyal kaybı, kötü göz marjları ve interoperability sorunlarına yol açabilir.

EMI/EMC Kabul Ediyor

Yüksek hızlı arayüzler elektromanyetik müdahale (EMI) hızlı kenar oranları ve yüksek frekanslı harmonikler nedeniyle ünlüdür. USB 3.2 ve Thunderbolt için temel frekans 5 GHz'yi aşabilir ( 20 Gbps verileri için), yani 15 GHz aralığındaki 3rd harmonik toprakları içerir:

Bitirme Seçimi: Retimers, Revidas, Re-timers

Test edilen hızlarda, PCB izi üzerinde sinyal bozulması (örneğin, bir masaüstü annesi için 10-15 inç) alıcının eşitleme kapasitesini aşabilir. Revidas, sinyal gücünü artırmak ve bazı eşitleştirme sağlamak için lineer veya limitli yükselteçler sağlar, ancak diğer yandan, saat veri kurtarma (CDR) devresini kullanarak saat boyunca 2'lik bir saat boyunca tekrarlayıcıları temizleyebilir ve sinyali temiz bir gözlerle yeniden üretirler.For ghost 4, retimers zorunludur.For tracelongs about 8 inç (20 cm).

Bir retimer seçerken, güç tüketimini, eşitleştirme musluk ayarlarını (CTLE, DFE) düşünün ve belirli veri oranları için destek. Bazı retimers USB-C spesifik ve kablo algılama ve yönlendirme özelliği ile birlikte çalışır.Retimer'in ayarlanması özel PCB kanal kaybı profili için optimize edilir.

Termal Yönetim

Yüksek hızlı arayüzler kontrol çiplerinden ısı üretiyor (özellikle de Zika, PCIe ve EkranPort köprülerini entegre ediyor), yeniden zamanlayıcı ICs ve tüm ısı taşıma noktalarının altında tutulması gerekir. Toplam ısı yükü 10-15 W'yi bir bükücük setinde aşabilir. Yeterli soğutma bakır dökme, termal su kaydırakları ve muhtemelen ısıtıcılar veya hava akışı ile sağlanır.

Tasarım döngüsünde erken ısı simülasyonu tavsiye edilir, özellikle kompakt muhafazalar için ısıtılır. ICs'ten metal şasi veya özel bir ısı yayıcısına kadar ısı geçişi için. yüksek güç USB PD için, kontrol noktalarına doğrudan termal yollar ile bağlı olarak güç anahtarlarını yerleştir.

Test ve Uyum

Uygunluk testlerini yapmak USB veya Thunderbolt markalı bir ürün için ön şart. Sertifika süreçleri ayrıntılı ve sıkı.

USB-IF Sertifika

USB Implementers Forum (USB-IF), USB 3.2'nin yetkili bir test laboratuvarında test edilmesi için tüm cihazları gerektirir.The USB Implementers Forum (USB-IF) Test paketi şunları içerir:

Tasarımcılar USB-IF'in 03.D:0)Dekorel uyumluluk belgeleri) ve referans test kurulumunu oynayan donanıma sahip olmalıdır. Yüksek hızlı oscilloskop ve vektör ağı analizörü kullanarak prototip aşamasındaki ön değerlendirme testi erken sorunları yakalayabilir.

Gülümseme Sertifikaları

Intel, Thunderbolt sertifikasyon programını yönetiyor. USB-IF'den daha fazla dahil, çünkü Thunderbolt PCIe ve DisplayPort'i birleştirir: Sertifika şunları içerir:

Tüm testleri geçen cihazlar CRM logosunu alır ve resmi uyumluluk veritabanında listelenir.

Signal Integrity Test in-House

Geliştirme sırasında mühendisler aşağıdaki ölçümleri yüksek bant genişliği oscilloskop (e.g., 12-20 GHz): kullanarak gerçekleştirmeliler.

  1. [FONT:0)Eye diagram verici çıktı yakalama: Maske ihlalleri, göz yüksekliği ve göz genişliği kontrol.
  2. [Uygunluk:0)TDR (Time Domain Reflectometry): ) IC'den gelen diferansiyel çiftle bağlantıdaki bağlantıdaki önbellek veya hedef 90 {{'nin% 10'unu aşacak şekilde görünüyor.
  3. [FONT=0)Insertion ve geri dönüş kaybı:[Dönetici: [Dönetici:0) Kanalın önerdiği kanal kaybı bütçesine karşı kıyasla, 10 dB'den 10'dan az bir VNA veya gerçek zamanlı oscilloskop kullanın.
  4. [FONT=0]Köpektalk ölçümü:[Dönetici:[Dönetici:0) İntegra, bir eşe bir sinyal ve çifte karşı çift gürültüyü kurban çiftinde ölçtü.Bırakın en az 20 dB'yi sinyalin altında tutmasını sağlayın.

Gelişmiş Layout Teknikleri

Diferansiyel Pair Routing Discipline

USB 3.2 ve Thunderbolt için, her bir çift, arka düzlemde iki tane bile (biri için) bir geri dönüş yolu sağlamak için yakındaki bir dizi ile yollanmalıdır. Zemin düzlemde boşlukları önlemek için (örneğin, QFN ped açmaları) bu varyasyonu artırıp, uygun şekilde genişletilebilir.

AC Coupling Capacitors

Her iki arayüz de DC ortak modu gerilimi engellemek için bağlantının yakınında bulunan ve eğimli değer genellikle 100 nF'ye 330 nF'ye kadar, küçük bir paket (0402 veya 0201) en kısa sürede şarj edilebilirleri azaltmak için.

Birden fazla ve ESD Koruma

Mevcut korumayı önlemek için, yüksek hızlı veri hatları ESD koruması gerektirir. TVS diyotları ultra ekran kapasitesi (≤0.3 pF) ile otomatik olarak indirmeyi bırakmak için. Onları kısa izlerini zemine yakın yerleştirin (yaklaşık 50 milyondan fazla).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

USB 3.2 için yüksek hızlı arayüzler tasarlayın ve CRM, sinyal bütünlüğü, güç yönetimi, termal tasarım ve uyumluluk testleri ile ilgili titiz bir yaklaşım gerektirir. paylaşılan USB-C bağlantı sorunları basitleştirmiyor - aksine, artan veri oranları ve güç seviyeleri PCB materyallerini, düzeni tekniklerini ve bileşenleri sınırlamalarına odaklanır.Demek gerekirse, silikon satıcılarından kontrol edilen ölçümler, dikkatli bir şekilde kontrol edilir ve doğru bir şekilde güç dağıtım koruması sağlar.