Тестирование и сертификация активного кабеля USB4 LRD

Спецификация активного кабеля USB4 соответствует спецификации разъема USB type-C и кабеля. в настоящее время последняя версия - Rev. 2.1. Добавлено определение кабеля EPR (расширенный диапазон мощности), а в эту версию интегрировано ECN (уведомление об изменениях инженера) предыдущего активного кабеля. Давайте' s взглянем на активный кабель USB type-C.

Короткий активный кабель USB 3.2

Короткий активный кабель USB4

Активный оптически изолированный кабель USB 3.2 (OIAC)

Среди них OIAC - волоконно-оптический кабель длиной 50 метров. В настоящее время определено, что он может поддерживать максимальную скорость USB 3.2 Gen2 (но не поддерживает источник питания USB2.0 и VBUS), который в основном используется для промышленных устройств, машинного зрения, удаленных датчиков, профессионального видео и медицинских приложений. Однако электрические характеристики линейного оптического активного кабеля USB4 не определены; Далее мы познакомимся с частью короткого активного кабеля.

Короткий активный кабель Активный кабель

В пределах 5 метров в длину

Требуется полнофункциональный type-C и USB PD 3.0 eMarker

Требуется поддержка двусторонней и положительной и отрицательной вставки

По возможностям поддержки его можно разделить на активные кабели USB 3.2 и USB4.

Активный кабель USB 3.2:

-USB 3.2 Gen 2x2 (двухканальный 10 ГГц) должен поддерживаться

* активные кабели, поддерживающие только один канал (x1), не допускаются

-Alt режим дополнительной поддержки

Активный кабель USB4:

- Должны поддерживаться все скорости USB 3.2 и USB4 (двухканальный).

-Tbt3 должен поддерживаться альтернативный режим

Требования к проводам VBUS, vconn, CC и USB 2.0 соответствуют требованиям пассивных кабелей.

Активный кабель должен получать питание от vconn.

Активный кабель содержит компоненты ретранслятора, такие как повторный таймер или повторный драйвер, в основном для высокоскоростных сигналов TX1, TX2, rx1 и rx2. Разработка ретаймера сложна и дорога. Кабель линейного преобразователя (LRD), в котором преобладает преобразователь частоты, имеет характеристики низкой сложности, низкого энергопотребления и низкой стоимости. Кабель LRD был впервые представлен на рынке, хотя только позже был добавлен в экосистему USB и включен в спецификацию USB type-C. Например, двухметровый кабель thunderbolt 4 40 Гбит / с - это кабель LRD, поддерживающий USB4.

Основные компоненты кабеля LRD включают эквалайзер RX и выходной драйвер, которые, соответственно, отвечают за компенсацию потерь в кабеле, регулировку усиления постоянного тока и настройку размера выходного предыскажения и сигнала, как показано на рисунке ниже.

Так как кабель LRD не имеет CDR (восстановление тактовых данных), джиттер и шум, полученные на кабельном входе, будут передаваться на кабельный выход; В то же время RX EQ может также усиливать высокочастотный шум; Из-за добавления активных компонентов сопротивление контактной площадки будет прерывистым; Помимо длинных кабелей, легко вызвать несоответствие длины и большой перекос в pn в процессе производства, в результате чего общий режим переменного тока превышает спецификацию. Основываясь на вышеизложенном, при проектировании необходимо учитывать следующее:

Высокочастотный шум, вызванный кабелями

Правильно ли сбалансирован эквалайзер внутри кабеля, и уровень сигнала недостаточен или избыточен?

Согласование импеданса дополнительных компонентов внутри активного кабеля

Pn перекос высокоскоростной пары кабеля

Поддержка функции кабеля LRD и объявление eMarker

Это указано в таблице 6-3 для разъема USB type-C& Спецификация кабеля версии 2.1 (как показано в таблице 2), пассивный кабель USB4 и активный кабель USB4 (кроме OIAC) должны поддерживать USB4, usb3, USB2 и tbt3.

В частности, кабель USB4 LRD является активным кабелем, но в настройках VDO заголовка идентификатора eMarker, B29 ... B27 должен быть объявлен как пассивный кабель (011b) и объявлен с использованием пассивного кабеля VDO. Поскольку кабель LRD был включен в спецификацию USB на более позднем этапе, он в основном должен быть совместим с продуктами tbt3, представленными на рынке. Он должен быть объявлен пассивным. Хотя тип продукта объявлен как пассивный, обнаружение tbt3 продолжится в процессе связи USB4 discover_ SVID (0x8087), а затем определит, является ли это" USB4 с активным кабелем tbt3 gen3" ;.

Usb-if выпускает новый логотип и значок USB4

Usb-if провела семинар USB devdays 2021 в Сиэтле (с 30 сентября по 1 октября) и выпустила новый логотип и значок номинальной мощности кабеля USB типа C в сочетании со спецификацией EPR (расширенный диапазон мощности), как показано на в таблице ниже, чтобы пользователи могли быстро определить скорость и мощность, поддерживаемые продуктами USB. Кабель, изначально поддерживающий 100 Вт (20 В / 5 А), больше не используется; Кабель на 5 А должен поддерживать EPR 240 Вт (48 В / 5 А).

Таблица 3: логотип и значок нового сертифицированного кабеля USB типа C (источник: usbdevdays 2021)

К активному кабелю LRD добавлен драйвер активного компонента, чтобы увеличить длину опоры кабеля. При практическом использовании и сертификационных испытаниях концепция заключается в том, что характеристики кабеля LRD должны соответствовать характеристикам пассивного кабеля или даже превосходить их. То есть при одинаковых настройках тестовой среды lrdcable должен быть равен или лучше пассивного кабеля по сравнению с пассивным кабелем.

Пункты сертификационных испытаний LRD включают:

Функциональный тест usb-c

Тест электронного маркера USB PD

Активная мощность кабеля: падение ИК-сигнала и потребляемая мощность

Защита от перегрева

Проверка электрических характеристик LRD

Тест на совместимость кабеля LRD (все еще обсуждается)

Подробное электрическое испытание кабеля LRD выглядит следующим образом:

1. Функциональный тест USB-C

Согласно спецификации функционального теста usb-c, проверка кабеля выглядит следующим образом:

TD 4.1.3 Тест автономного кабеля

TD 4.13.5 Кабель EnterUSB и тест сброса данных

TD 4.14.x

TD 4.14.1 Проверка подключения кабеля Vconn Swap

TD 4.14.2 Тест сброса кабеля

TD 4.14.3 Проверка альтернативного режима кабеля

TD 4.14.4 Тест кабеля USB 3.2

TD 4.14.5 Тест кабеля USB4

2. USB PD: тест электронного маркера.

Согласно USB PD CTS, проверьте следующие три элемента, относящиеся к кабелю:

Общие процедуры и проверки

Специальные тесты физического уровня

Специфические тесты протокола

Кабель LRD должен поддерживать tbt3 и подтверждать правильность объявления tbt3 и ответа SOP

Cable SOP 'Discover Identity ответ

[ID Header VDO] B26 (работа модели) установлен на 1b (альтернативный режим)

[ID Header VDO] B29..27 (тип продукта) установлен на 11b (пассивный кабель)

[Cable VDO] B2..0 (максимальная скорость USB) установлена ​​на 010b (USB3.2 / USB4 Gen2)

Cable SOP 'TBT Режим обнаружения VDO ответ

B20..19 (округлено / округлено& none) установлено на 01b (оба)

B21 (оптический / нет) установлен на 0 (нет)

B22 (Re-timer / Re-driver) установлен на 0b (Re-driver)

B23 (однонаправленный / двунаправленный) установлен на 1b (однонаправленный)

От B25 (активный / пассивный) до 1b (активный)

3. Требования к питанию активного кабеля

3.1. Характеристики падения ИК-сигнала для кабелей VBUS и заземления такие же, как и для пассивных кабелей.

VBUS IR Drop ： ≤500 мВ

Падение ИК-излучения на земле ： ≤250 мВ

3.2. Питание активного кабеля осуществляется в основном через vconn, а максимальная потребляемая мощность ограничена.

Потребляемая мощность vconn ≤ 1,5 Вт

4. Тепловой тест

По соображениям безопасности датчик температуры должен быть установлен внутри активного кабеля. Когда температура поверхности пластикового корпуса активного кабеля достигает 80 ℃C или температура металлической поверхности достигает 55 ˚C. Передача данных USB 3.2 / usb4 должна быть остановлена.

Кроме того, температура поверхности активной кабельной вилки и максимальная рабочая температура поверхности корпуса не должны превышать температуру окружающей среды на 30 ℃ C. Или температура поверхности металлической оболочки 15 C.

Температура поверхности (TS) пластиковой оболочки активного кабеля в основном включает рабочую температуру (TMB) подключенного хоста и материнской платы устройства, активных компонентов в кабеле и текущую температуру окружающей среды (TA). Фактическое сертификационное испытание в основном разделено на две части: температура поверхности (TS) и тепловое отключение. Тестовая среда показана на рисунке ниже:

4.1 Температура поверхности (Ts)

температура поверхности

Как показано на рисунке 3, проверьте соединение, смоделируйте материнскую плату хоста / устройства через плату нагревателя приспособления для тепловых испытаний при комнатной температуре и дайте температуре TMB подняться до (TA 25) ˚ C) Затем подключите активный кабель и установите полная загрузка от хоста к устройству (включая одновременную высокоскоростную передачу данных и нагрузку PD 100 Вт). В это время используйте инфракрасную камеру, чтобы определить область максимальной температуры кабельного разъема (рис. 4), и вставьте термопару" термопару" пластырь при этой высокой температуре для температурного испытания (рис. 5). Определите температуру поверхности пластиковой оболочки кабельной вилки и определите, прошел ли тест: TS< ta="" +="" 30="" ˚="">

Рисунок 4: инфракрасная камера для определения области с самой высокой температурой

Рисунок 5:" Термопара" патч приклеился к самому горячему участку.

4.2 тепловое отключение защита от перегрева

Условия тестирования защиты от перегрева такие же, как указано выше. Кроме того, на пластиковую оболочку кабельной вилки нанесена нагревательная накладка (рис. 6). Начните нагревать пластырь до комнатной температуры. Когда температура достигает 85 ℃ ˚ C, результаты теста определены: активный кабель должен остановить передачу данных USB 3.2 / usb4.

Рисунок 6.Нагреватель гибкого нагревателя.

Примечание: по вопросам оборудования для активного теплового испытания кабеля и сопутствующих принадлежностей обращайтесь в OD Liao @ luxshare -ict.com

Электрический тест

Для кабеля LRD пассивный кабель по-прежнему используется в конфигурации кабеля USB 2.0, SBU и CC. Метод тестирования и технические характеристики такие же, как и у пассивного кабеля. Пара высокоскоростных сигналов TX1 / rx1 / TX2 / rx2 оснащена активными компонентами re driver. Характеристики испытаний соответствуют активному кабелю LRD CTS версии 0.8. Тестовые задания в основном делятся на следующие три элемента:

Тест в частотной области

Временной интервал - автономный тест кабеля

Временная область - тест глазка на выходе кабеля

5.1 тест в частотной области

Интегрированная возвратная потеря (IRL)

Интегрированное мультиотражение (IMR)

Маржа работы канала (COM)

Рисунок 7: схема подключения S-параметров, захваченных ВАЦ векторного анализатора цепей

Для элементов тестирования в частотной области метод тестирования такой же, как и для пассивных кабелей. Параметры S извлекаются векторным анализатором цепей VNA. Есть 8 файлов s4p (TX1 / rx1 / TX2 / rx2, двунаправленные) для высокоскоростных дифференциальных пар, а также программа get_ iPar_ V0p91a для анализа.

5.2 временная область - автономный тест кабеля

Кабельная маска ilfit (DC / F1 / NQ / F2 / F3 / WB): вносимые потери

OUTPUT_ Noise (𝝈): стандартное отклонение выходного шума (исключая нелинейный шум)

SIGMA_ E (𝝈): стандартное отклонение выходного нелинейного шума

Кабель CM_ Шум: общий режим переменного тока

Тест корпуса кабеля (за исключением системного ISI и джиттера) в основном проверяет вносимые потери, выходной шум, нелинейный шум и общий режим переменного тока самого кабеля. Тестовое соединение показано на рисунке ниже. Под выходом TP2 (как показано в Таблице 4) шаблон, свинг, без джиттера, без SSC, без настроек TX EQ, таких как" шаблон: prbs15, свинг 800 мВ, SSC выкл., Джиттер выкл, предустановка 0 [GG ] quot;, генератор сигналов сначала подключает для тестирования пассивный кабель наихудшего случая, осциллограф фиксирует форму сигнала *. Bin, затем переходит на кабель LRD для тестирования и выполняет следующий анализ параметров с помощью программного обеспечения. Затем сравнивает кабель LRD. Результат теста должен быть равен или лучше, чем у пассивного кабеля. Тест должен охватывать три скорости: USB4 Gen2 / gen3 и USB 3.2 Gen2.

Примечание:" пассивный кабель наихудшего случая" относится к пассивному кабелю с максимальными вносимыми потерями в пределах спецификации кабеля, например пассивному кабелю USB 3.2 Gen2 длиной 1 м, пассивному кабелю USB4 Gen2 длиной 2 м и пассивному кабелю USB4 Gen3 длиной 0,8 м.

Рис. 8: схема подключения для испытания корпуса кабеля

5.3 временная область - тест глазковой диаграммы выхода кабеля

(Проверка зрения на выходе кабеля)

5.3.1. Тест USB4 Gen2 / gen3:

Подключение теста глазковой диаграммы выхода кабеля (включая ISI системы и джиттер) показано на рисунке ниже. Среда тестирования такая же, как среда проверки аутентификации приемника RX хоста / устройства USB4. Сначала необходимо исправить среду тестирования USB4 RX. Вы можете напрямую управлять генератором шаблонов Anritsu mp1900 с помощью тестового приложения grl-usb4-rx, как показано на Рисунке 9, Калибровка тестовой среды USB4 RX с помощью Keysight или осциллографа Tektronix.

После калибровки подключите пассивный кабель&"худшего случая"&"; первый во время теста. Настройка условий тестирования включает вывод prbs31 в шаблоне Gen и настройку предустановки USB4 (всего 16 групп). После прохождения сигнала по кабелю захватите на осциллографе пять осциллограмм, при этом необходимо на высокой скорости зафиксировать 80 осциллограмм в каждой группе; Затем, в тех же условиях тестирования, отсоедините пассивный кабель, замените кабель LRD и снимите сигнал на осциллографе; Затем глазковая диаграмма, ширина глаза и область глаз были протестированы и проанализированы с помощью программного обеспечения USB4 sigtest.

Рисунок 10: Тестовое соединение с глазковой диаграммой выхода кабеля USB4 Gen3 / Gen2

Определение USB4 результатов тестирования Gen2 / gen3 (в среднем 5 захватов):

Кабель LRD лучшая область глаз ≥ пассивный кабель лучшая область глаз

И ширина глаза кабеля LRD ≥ 0,9 * пассивный кабель

1.3.2. Тест USB Gen2:

Среда тестирования такая же, как среда проверки аутентификации приемника usb3.2 RX. Сначала необходимо исправить среду тестирования USB 3.2 RX (как показано на рисунке 11). Генератором шаблонов Anritsu mp1900 можно автоматически управлять непосредственно через приложение grl-usb3-rxtest и откалибровать его с помощью Keysight или осциллографа Tektronix.

После калибровки в условиях тестирования USB 3.2 Gen2 RX выберите Rx, чтобы откалибровать среду PJ @ 100MHz. После прохождения через приспособление и кабель LRD осциллограф пять раз фиксирует форму волны, а затем анализирует ее с помощью программного обеспечения usb3sigtest и 7 шаблонов CTLE. (usb3 sigtest изначально имеет только один шаблон ctle_5db, и необходимо вручную установить и дополнить шаблон БД ctle_0db ~ ctle_6)

Оценка результатов тестирования USB 3.2 Gen2 (среднее значение 5 захватов):

Кабель LRD лучшая область глаз ≥ пассивный кабель лучшая область глаз

И ширина глаза кабеля LRD ≥ 0,9 * пассивный кабель

резюме

USB type-C широко используется в компьютерах и связанных с ними периферийных устройствах, а также в пассивных и активных кабелях. Некоторые поддерживают только USB 2.0 и зарядку, а некоторые могут поддерживать USB 3.2 и USB4; Все они представляют собой разъемы USB типа C, которые поддерживают разные возможности и скорости, что легко сбить с толку пользователей. Ассоциация USB также ориентирована на удобство использования и предназначена для кабеля типа C, который подходит для всех приложений. В части активного кабеля спецификация должна поддерживать двустороннюю передачу, подключение положительного и отрицательного полюсов, двухканальный (x2) и т. Д. На примере активного кабеля USB4 LRD он может поддерживать USB4, USB 3.2, USB 2.0. , thunderbolt 3, зарядка PD и т. д., чтобы соответствовать приложению USB type-C с одной линией.

Самая большая разница между активным кабелем USB типа C и пассивным кабелем заключается в наличии активных компонентов, что также приводит к различным методам тестирования высокоскоростных дифференциальных сигналов. При тестировании активного кабеля используется существующий метод высокочастотного тестирования хоста и устройства USB4, а для тестирования используются генератор высокочастотных сигналов и высокочастотный осциллограф. Среда и методы тестирования относительно сложны, GRL предоставляет решения для автоматизированного тестирования для тестирования USB4, которые могут снизить сложность тестирования. GRL имеет богатый опыт настройки эквалайзера, усиления и других параметров, а также помощи клиентам в отладке. GRL также может предоставить хост и устройство USB4, пассивный кабель USB4, активный кабель USB4 и другие услуги по тестированию и сертификации.

Ссылка

Технические характеристики кабеля и разъема USB Type-C, выпуск 2.1, май 2021 г.

Разъемы и кабельные сборки USB Type-C CTS, версия 2.1b, июнь 2021 г.

Спецификация требований совместимости USB4 ™ Thunderbolt3 ™, версия 1.0, январь 2021 г.

USB4 ™ Thunderbolt3 ™ Compatibility CTS, версия 1.0, январь 2021 г.

USB Power Delivery CTS, редакция: 1.2, версия 2, 20 июня 2021 г.

Спецификация функционального тестирования USB Type-C, главы 4 и 5, 23 мая 2021 г., ред. 0.88