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迎戰高速USB產品終極課題    解決射頻干擾者得天下
新通訊 20176 月號 196 期《 封面故事 》
文.陳玉鳳/黃繼寬
USB Type-C所具備的諸多優點,包括同時支援數據、語音傳輸和充電,以及正反可插和小尺寸等優點,早已為各界稱頌多時,也因此USB Type-C的市場滲透率逐漸高升,整體而言,USB Type-C使用量最大的市場集中於智慧型手機、平板和筆記型電腦上,也就是說,USB Type-C的可觀潛力在於它能涵蓋目前可見的各種USB用途,市場極為龐大。
根據工研院IEK報告指出,2016年可視為USB Type-C新規格智慧手機的起飛年,預期約有1億支銷售規模,預估2016~2020年複合成長率將達73.8%。另根據IHS Technology的預測,2016至2020年間,USB Type-C接口和線纜的市場規模將從32億美元一路成長至669億美元。 

防治RFI 各環節缺一不可  

在情勢一片看好的情況下,卻也有些出人意表的事件傳達出USB Type-C似乎不是完全的美好。例如,微軟(Microsoft)日前宣布推出的Surface Laptop就決定不支援USB Type-C介面,微軟表示這是因為他們認為此款連接埠仍未成熟,因此決定暫不採用。  

事實上,USB Type-C也的確存在著諸多問題,其中,USB規格從3.0進展至3.1,傳輸速度從5Gbit/s進展到10Gbit/s,也就意謂射頻干擾(RFI)情況會更嚴重。而RFI問題的解決須仰賴全系統各部分盡可能降低RFI。 

廣迎連接事業處處長鍾軒禾(圖1)進一步說明,從晶片的腳位定義開始,到電路板設計、連接器設計及線纜設計等,每一個環節都需要找出盡可能完美的RFI對策,如此才能成就足以對抗RFI影響的系統。 

圖1 廣迎連接事業處處長鍾軒禾表示,對抗RFI,須從晶片的腳位定義,到電路板設計、連接器設計及線纜設計等環節一一攻破。
連接器無法獨善其身  電路板及線材端須合作 

從USB 3.0開始,廣迎已累積防治RFI的豐富經驗,透過端子、絕緣基體、屏蔽外殼等方面的重新設計,廣迎得以推出有效減少RFI的USB Type-C連接器,鍾軒禾進一步說明,該公司的連接器引腳不像一般是走雙排,而是走單排,如此能讓走線更為精簡,加上共面波導理論的發揮,可有效降低RFI。 

不過,鍾軒禾再次強調,在整個系統中,連接器只是一部分,因此即使連接器做得再好,板子及線材部分的RFI防治做得不佳也是徒然。於是,除了做好自己的連接器外,廣迎也針對電路板的線路排列、走線、疊構、層數、厚度等,為客戶提供實質有效的建議,甚至也與線纜端合作,務求從整體系統的角度著手來降低RFI。 

其實,廣迎在兩年前就已推出USB Type-C連接器,但之後由於需求狀況不明顯,因此推廣力道並不強,但現在USB Type-C的成長力道頗大,因此廣迎又再次重新啟動USB Type-C連接器系列(圖2)。 

圖2 廣迎成功開發可有效防治RFI的連接器產品
降低輻射能量 晶片端從根源著手

如前文所述,系統RFI的降低有賴各個環節的通力合作。在晶片部分,創惟研發工程事業處副總經理謝漢卿(圖3)指出,降低RFI的方式不外乎兩種,其一是將射頻輻射能量降至最低;其二則是採用遮蔽方式隔絕輻射能量。這兩種方式都能用於晶片端,例如採用金屬殼遮蔽,或是在封裝上再鍍一層金屬膜進行隔離等;另一途徑則是則是透過接腳配置來降低輻射能量。 

圖3 創惟研發工程事業處副總經理謝漢卿指出,將射頻輻射能量降至最低,或是採用遮蔽方式隔絕輻射能量,可有效降低RFI。
創惟即將量產的USB 3.1 Gen 2 Type-C控制晶片主要是透過減少輻射的能量方式來降低RFI。謝漢卿強調,在降低能量的同時還要保持晶片Performance不墜,這正是各家晶片廠商的Know-how所在。 

創惟已在2017年初發表USB 3.1 Gen 2 Type-C集線器控制晶片GL3590,這顆控制晶片整合創惟科技自行開發的USB 3.1 Gen 2 PHY及USB-C功能。另外,針對USB Type-C的快充功能,創惟也領先全球推出USB Type-C七合一快充識別晶片,創惟科技產品開發五處處長李威德(圖4)表示,此處所指的七合一是指創惟晶片能自動辨識高通(Qualcomm)、聯發科、華為、展訊、USB Battery Charging、蘋果(Apple)及三星(Samsung)所各自發展的七種快充規格。 

圖4 創惟產品開發五處處長李威德表示,創惟新推出的七合一快充識別晶片能自動辨識七種快充規格。
這七種快充規格目前已普遍存在於三星、蘋果、華為、中興、樂金(LG)、索尼(Sony)、夏普(Sharp)、HTC、華碩、摩托羅拉(Motorola)、小米、魅族、樂視等手機和平板上,達到接近百分之百的市場覆蓋率。接下來,繼取得高通Quick Charge 3.0認證後,隨著高通跨入新一代的Quick Charge 4.0快充技術,創惟預計於下半年取得4.0認證,此外,對於聯發科快充規格的支援也已從Pump Express Plus 2.0進展至Pump Express 3.0。  

找出RFI對策 高速傳輸才能發揮 

從晶片廠商的角度來看USB Type-C的市場成長趨勢,創惟科技產品開發五處行銷經理吳伊薰表示,USB Type-C有種種優點,近一年來也的確有成長趨勢,然而限於技術門檻及售價仍高,因此距離全面取代先前世代的USB,例如USB Type-A等仍有一大段路要走。此外,USB Type-C整合PD、高速傳輸、替代模式(Alt Mode)太多功能形成的模糊地帶,導致使用USB Type-C時無法分辨裝置該有的正確表現為何,這也是造成使用者裹足不前的原因之一。所幸目前USB IF正根據業界回饋持續修正規範中,這方面的問題可望得以解決。  

整體而言,鑑於USB Type-C功能強大的訊號傳輸及供電能力,可預見USB Type-C的應用將與日俱增。例如,隨著筆電、平板電腦及周邊裝置開始採用高速USB 3.1 Gen 2及USB Type-C接口,擴充底座的需求也開始大量出現,迎接應用端的榮景到來,在USB 3.1及USB Type-C技術方面已耕耘多時的創惟,已陸續推出USB裝置端解決方案,為USB Type-C的普及提供一臂之力。 

不過,鍾軒禾指出,目前中國大陸市場對USB Type-C的需求暢旺,然而,中國大陸的USB Type-C多僅提供USB 2.0與快充功能。觀察市場,可以發現目前中國大陸智慧型手機新品幾乎皆已配備USB Type-C接口,但其所採用的傳輸規格並非USB 3.1,而是USB 2.0,也就是業者寧願只要較低的傳輸速率,也不要冒著RFI風險採用高速傳輸,畢竟消費者對於傳輸速率較不敏感,但是一般很難容忍RFI可能造成的手機功能故障。 

此種版本的USB Type-C連接器價格目前已經是殺得非常之低,0.4~0.3美元的報價是常態,有些中國大陸廠商的報價甚至可能低到0.1美元,因此,台廠的機會必須寄望於高速傳輸版本的USB Type-C連接器,然而,如果RFI的問題不好好解決,此類連接器就無法取得市場信心。因此,即便USB Type-C現在的聲勢已是如日中天,然而,若要讓USB Type-C肩負的高速傳輸功能進一步普及,首先就是要好好解決射頻干擾問題。 

善用雜訊預算方法論  RFI議題必須系統性解決 

針對有線介面的RFI干擾,在射頻測試/RFI防治等領域已耕耘三十多年的碩訊科技總經理蔡遙明(圖5)表示,終端產品開發者在進行系統整合設計時,必須要有更細膩、更系統化的方法論,而非頭痛醫頭、腳痛醫腳。局部性的RFI防治手段,在未來將很難行得通。 

圖5 碩訊科技總經理蔡遙明指出,從表面修修補補的方法,對解決RFI問題的幫助很有限,常常是事倍功半。
事實上,曾經在手機領域有過輝煌歲月的諾基亞(Nokia),早在西元2000年以前就預見了RFI問題將越來越棘手,因而提出雜訊預算(Noise Budget)這個方法論,將晶片、電路板上的跡線(Trace)、連接器、線纜與天線等所有會產生雜訊干擾的可能來源,都列入控管範圍,以確保整個手機系統內部的雜訊不會影響到消費者的使用者體驗。 

後來,由於筆記型電腦上整合的無線通訊功能也越來越複雜,因此這套由諾基亞發展出來的方法論,也逐漸被惠普(HP)、戴爾(Dell)等個人電腦大廠所採用。 

因此,RFI的問題不是無解,而是必須用更嚴謹、更系統化的方法來處理。很多設計工程師在遇到RFI問題的時候,還是常會依照前輩流傳下來的方法,在開孔或接點等雜訊較高的地方貼上屏蔽銅箔,以為這樣就能過關。但其實這種早期流傳下來的作法,現在已經不管用了。因為,早期這種方法能行得通,常常是因為當時的製程、材料條件比較好。 

舉例來說,以前電子產品內部的電路元件,很多是老師傅手工焊接出來的精品,但現在為了降低成本跟大量生產,表面貼合技術(SMT)已經是業界標準,板材或屏蔽材料的抗干擾性能也比以前更差。因此,以前行得通的方法,現在很難行得通了。 

事實上,按照物理學的基本原理,所有表面電流流經的金屬導體,都有RFI的風險存在。如果不是從系統設計的源頭下手,只想靠局部修補的方法來繞過問題,將會事倍功半。 

針對系統設計工程師,蔡遙明給的建議是,要先釐清系統內雜訊的分布位置,建立起雜訊地圖(Noise Map),然後針對重點區域的RFI成因進行深入分析,如果晶片本身就有問題,就果斷換掉晶片供應商;如果是電路板Layout造成,就改用更好的Layout方法。對連接器的態度也應該更嚴謹,不能再只把連接器當作簡單的塑膠或金屬機構件,只要便宜就好,甚至應該用挑選IC的嚴謹態度來選擇連接器供應商。 

總之,針對問題的根源對症下藥,而非在問題出現後,從表面進行各種遮遮掩掩的手法,才是解決RFI問題的正確觀念。

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