破解USB 3.2 Gen 1/2電氣合規挑戰(1)

2024-04-30

Pascal Berten

USB Type-C在為消費者帶來便利的同時，也為設計USB電纜及相容產品帶來挑戰。本文詳細說明USB 3.2合規性測試要求，並說明測試過程中的常見問題和解決方式。

Pixabay

USB Type-C(通用序列匯流排)連接器如同其名，是一種隨處可見的線纜，甚至連之前僅與Lightning電纜相容的iPhone，也在第14代以後將USB電纜充電加入產品之中。不過，USB在帶給消費者便利的同時，也為設計USB電纜及相容產品帶來挑戰。

USB 3.2的多通道操作規範旨在滿足新一代PC、消費性電子產品、顯示器和行動架構對頻寬的更高要求，不過，USB 3.2在兩個通道實現的10Gbps傳輸速率，也導致USB系統中產生了串擾問題。

與以往的USB版本不同，USB 3.2規範不僅要求製造商在傳輸端或接收端進行測試，也必須捕捉全部四個通道的數據，以便全面了解串擾的影響。為此，BERT的雙通道需要同時發送訊號。在涉及多種變數的實際條件下，為了準確捕捉裝置的性能表現，需要在四對訊號的性能中達到平衡。

比較歷代USB標準

USB 3.0於2008年發布，比2022年才公開的USB 3.2早十多年。如今，通用術語「USB合規性(USB Compliance)」不再指以前的3.0標準，而是指新的3.2規範。兩個版本之間進行了許多更新，特別值得注意的是，從第1代到第2代的更新，將資料傳輸速率從5Gbps提高了一倍至10Gbps，而Type-C更進一步將資料傳輸速率從10Gbps提高至20Gbps。此外，還有許多電磁相容性(EMC)方面的改進，尤其是連接器的部分。

若追溯USB技術到2000年，當時的傳輸速率約為480Mbps，而USB 3.0的傳輸速率為5Gbps。USB 3.0的資料傳輸表現在當時十分亮眼，實現了大量資料備份或涉及外接硬碟的大規模傳輸。自從USB 2.0升級到3.0後，接頭線數也從4根增加到9根，大幅提高速度、頻寬和功率輸出。

USB 3.0連接埠具備完全向後相容性，因此可和其他USB版本(包括2.0)無縫協作。這代表USB 2.0驅動器可以插入3.0連接埠，不過，這種設置會將系統的運行速度限制為USB 2.0驅動標準。在設計方面，USB 2.0連接埠的內部為黑色，而USB 3.0連接埠的內部為藍色。

USB 3.2合規性測試

所有Gen 2(Super Speed plus)產品皆須符合Gen 1(Super Speed)標準。同樣地，所有USB4產品也需要通過USB 3.2電氣測試這一關。達成USB-IF合規性不僅需要滿足電氣合規性(Electrical Compliance)，製造商也必須參加研討會，或是在授權測試實驗室(ATL)進行驗證(如GRL)，才能獲得官方認證。

以下將說明如何根據USB-IF要求準備USB 3.2合規性測試。

測試設備要求

想要準確執行USB-IF合規性測試，需要使用高效能示波器(例如RTP164)，而USB自動化軟體可以讓流程更加順利。此外，接收器測試還需要能夠產生碼型並強制產品返回USB迴環(Loopback)的高效能誤碼率測試儀(BERT)。最後，確保測試過程中使用的SMA電纜匹配同樣至關重要。

設計要求

USB-IF在過去曾出售執行測試所需的夾具，現已停產。現在，製造商必須從Fixture Solution取得Gen 1 Legacy連接器，而Gen 1/2 Type-C連接器則必須從Wilder Technologies取得。

Tx和Rx的USB 3.2 Gen 1/2設置配置

USB-IF相容規範源自於USB 3.2規範和工程變更通知(ECN)。該規範詳細說明如何執行發射器(Transmitter, Tx)和接收器(Receiver, Rx)量測以及其他電氣參數。

有些人認為，USB 3.2合規性測試因為新的測試模式(Test Mode)而變得更加容易。測試模式CP0至CP8針對Gen 1而定義，CP9至CP16則是針對Gen 2而定義(圖1)。從裝置連接到測試儀的那一刻起，編號最低的測試模式就會被激活，並在發送Ping.LFPS後逐漸向上切換。

上行埠(Upstream Port)指的是可以連接到PC端的裝置或集線器連接埠。典型的USB 3.2 Gen 1/2上行Tx測試設置由測量夾具(又稱示波器)和切換夾具組成(圖2)。後者將用於向待測物(DUT)發送ping.LFPS.ping，讓系統可以切換到下一個測試模式。只要DUT能夠接收到ping訊號，切換裝置就不必滿足特定要求。然而，使用適當的測量夾具非常重要。

針對USB 3.2 Gen 1/2下行設置Tx，裝置連接至下行連接埠(Downstream Port)，並且僅可連接至A連接埠或C連接埠。在大多數情況下，USB 3.2 Gen 1/2 Tx測試的設置與上行設置完全相同。唯一的區別是連接到DUT的附加xHCI HSETT工具，該工具強制下行連接埠處於Tx-Compliance_Mode模式並允許在CPx之間切換(Toggling)。HSETT可以從USB-IF官方網站免費取得。