如何滿足 USB4 第 3 代 Type-C 可靠性與訊號完整性的新要求

USB4 介面具有 40 Gbits/s 雙通道最大數據傳輸率，對設計人員滿足訊號完整性與電磁干擾 (EMI) 要求造成額外的壓力。此外，現今多種數據和顯示協定均普遍使用 Type-C 連接器，這要求連接器透過共有匯流排分享可用的頻寬。設計人員也必須確保：連接器須如同所有 USB4 元件，通過多個標準制訂組織的認證。其他設計挑戰包括：減緩因不正確插入插頭而造成機械損壞的風險，以及需要針對終端產品和使用模式進行調整，而這些模式要求有更佳的堅固耐用性及更先進的功能。

USB Type-C® 規格所制訂的連接器要求，需要解決系統與元件逐漸演變的需求，同時還要保持與現有 USB 形式之所有功能優點相容。本文將說明 USB Type-C 連接器的配置與功能，同時探討使用此連接器的相關應用。然後以 Amphenol ICC 的 USB4 認證 USB Type-C 連接器插座為例進行介紹。此插座可支援規格所列的所有先進功能，其中包括能降低 EMI 並改善連接器可靠性及機械完整性的其他功能。

USB4 第 3 代 Type-C 連接器

USB Type-C 插頭與插座的規格是由 USB 開發者論壇 (USB-IF)，依據「USB Type-C 纜線與連接器規格 2.0 版」文件所制訂。本文件涵蓋 USB4 over USB Type-C 連接器，相關內容可在 USB-IF 網站上免費取得。

USB-C 連接器使用 24 支引腳，並可透過一個連接器提供 USB 電力傳輸 (USB PD)、數據傳輸、音訊與視訊輸出。USB-C 連接器最值得注意的特點是正反性，亦即插頭能以任一方向插入插座。這一特點相當受到使用者的喜愛，因為他們常遇到舊式 USB-A 連接器的插入問題。當觀察 USB-C 插頭和插座的訊號分配時，即可看出此功能的特點 (圖 1)。

圖 1 所示的中心引腳佈局即為插座的佈局。圖中顯示兩種插頭方向：上方顯示正常方向；下方顯示旋轉 180˚ 後的方向。無論以哪一種插頭方向插入，相對應的訊號也會相互匹配。

圖 1：USB-C 插頭連接器 (上方與下方) 及插座 (中間) 訊號分配視圖 (朝向每個部分看去的視圖) 顯示，插頭旋轉 180˚ 後，插入時相對應的訊號仍會獲得正確的匹配。(圖片來源：Art Pini)

表 1 加強顯示 USB-C 連接器內部的訊號組，其相對應的連接器引腳訊號顏色與圖 1 中的顏色相符。此表顯示 USB-C 連接器可廣泛用於多種應用中。高速差動訊號通路最高可支援 40 Gbits/s 的傳輸速率，而且可用於 USB4、交替模式與穿隧傳輸協定。

表 1：USB4 連接器訊號摘要資訊包含兩條高速差動訊號通路、一條 USB 2 差動訊號路徑，以及電源與介面控制訊號。訊號組填色與相對應連接器引腳訊號的填色相符，如圖 1 所示。(表格來源：Art Pini)

支援 USB4 的交替模式協定包括 Thunderbolt、DisplayPort (DP)、行動高解析度連結 (MHL)、快捷週邊組件互連介面 (PCIe) 以及高解析度多媒體介面 (HDMI)。透過使用結構化廠商自定義訊息模式 (VDM) 來發現並設定交替模式，即可透過 USB PD 協定交握來定義並啟用其他交替模式協定。

USB PD 亦可允許元件針對電源供應的功率位準進行協商。在 20 V 及 5 A 下，USB4 能支援的最大功率位準為 100 W。要達成此種能力，可能需要使用可編程電源供應器。電源控制纜線與主動式纜線可允許快速充電。元件間電源協約的協商，是透過使用半雙工 300 kbaud 雙相標記編碼的設定通道 (CC) 線路完成。

針對所有這些涵蓋音訊、視訊、資料儲存與資料通訊等應用的不同協定，共用連接器會帶來許多優勢。此外，也允許在開發的過程中定義新興協定。

連接器引腳分配顯示一個基本型佈局，可最大限度地提高訊號完整性。例如，高速與 USB 2 數據線為差動式，可將串音與 EMI 最小化。此外，所有數據線均是佈線於電源匯流排和接地匯流排 (或其他低頻寬訊號線路) 之間，以便提供隔離效果；而高速數據線則是佈線於佈局的對側，將通路對通路的串音減至最小。

Amphenol ICC 的 USB4 插座產品系列之功能

為了協助解決 USB4 的設計挑戰，Amphenol ICC 已經推出四款 USB4 第 3 代插座，其效能超越現有標準。這些產品是新一代連接器，可滿足此標準相當高的數據傳輸率 (最高可達 40 Gbits/s)，而且可與 USB PD 相容，以及對於通過單一 Type-C 連接器結合充電、隧道 USB 及 PCIe 數據傳輸等功能的 Thunderbolt 介面，也同樣相容。這些連接器也支援 DisplayPort 視訊與音訊，在 60 Hz 更新率下具備 4K 超高解析度 (UHD)。

此類連接器的一個顯著 USB4 特點是，能夠在傳輸視訊及資料時動態地針對頻寬進行最佳化。依照標準，全新 USB4 連接器不但可向下相容，支援 USB 2、3.1 與 3.2 等舊版 USB，而且插頭及纜線方向均可翻轉，因而大大改善 USB 的使用者體驗。連接器尺寸小且具備多種功能，相當適合融入新興科技中。

機械設計支援電力傳輸及耐久性

Amphenol ICC 的 USB4 插座設計可提供卓越效能，插拔次數可達 10,000 次，耐用性高，能減少反覆操作造成的磨損。在導電路徑設計中採用高品質銅金屬合金，確保獲得低損耗的 40 mΩ 接觸電阻，以及 5 A 的延伸額定電流，以提供高達 100 W 的 USB 電力傳輸。

連接器的中板使用改良型側壁，可將接觸面積最大化並穩定接觸效能，因此插入後不會搖動 (圖 2)。

圖 2：Amphenol ICC 的 USB4 插座增強型側壁設計可提供「不搖動」的連接，EMI 的保護效果更佳，而且對插頭誤插的機械保護也獲得提升。(圖片來源：Amphenol ICC)

增強型機械特點包括一個延伸式側壁板，可延伸至插座舌簧的角落，以防止插入 micro-USB 插頭等非 Type-C 插頭。同一個側壁以中板接地，可提供額外的屏蔽並降低 EMI。內屏蔽上新增的凹孔可用來引導插頭，並於插入過程中保持插頭本體的正確位置。整個機械組件提供穩定的鎖定效能，而且與配接導電表面重疊的接觸面積可達到最大，因而能將接觸電阻減至最小。接合時發出清晰的卡嗒聲，確保完全插入插頭。

Amphenol ICC 產品系列

Amphenol ICC 產品系列提供四款 USB4 Type C 插座 (圖 3)。

圖 3：Amphenol ICC 的 USB4 第 3 代 Type C 插座包括三種頂端安裝版及一種中間安裝版。(圖片來源：Amphenol ICC)

GSB4D313302Y1HR 頂端安裝插座採用直角通孔式安裝，目前已獲 USB-IF 認證，並由 Intel 推薦用於 Thunderbolt 4。其外殼從前至後有均勻的截面，中心高度為 1.58 mm (從安裝平面至連接器舌簧的距離)。

12402056E512A 與 12402073E512A 也是採用通孔式安裝的頂端安裝插座，但具有矩形外殼，中心高度均為 1.57 mm。這些插座的標準認證於本文撰寫時正在審核中。

12402075E512A 是中間安裝式插座，中心高度僅為 0.47 mm，因而配置上更為精巧。此插座也採用通孔式安裝，相關認證目前也在審核中。

所有這些插座的額定工作溫度範圍都是介於 -40°C 至 +85°C，相當適合在車輛內部使用。

USB4 連接器應用

這些插座可用於儲存裝置、汽車資訊娛樂、家庭娛樂、擴充座、周邊裝置介面 (監視器／顯示器、投影機)，以及其他消費性應用，如筆記型電腦與平板電腦。插座具有尺寸小、支援多種模式以及功率控制等優點，因此能提供超凡的通用性。

結論

USB Type-C 連接器可處理多種高速協定及功率位準。隨著使用者尋求更快的數據傳輸率、快速充電能力與簡易型連接器，這種連接器將出現在更多的應用中。有了 USB4，使用者可以獲得交替模式與穿隧傳輸支援。這些增強功能可確保 USB4 在更多樣及更嚴酷的潛在環境及應用中，都能夠獲得廣泛採用。為了幫助設計人員考慮上述因素，Amphenol ICC 的 USB4 插座設計可超越基本型 USB-IF 規格，減輕 EMI 效應，並確保在廣泛溫度範圍及多次循環使用後，仍保持良好的連接性。