选对一个插座，玩转USB4第3代TypeC

　　原创：ArtPiniDigiKey得捷电子USB4接口的两个通道的最大数据传输率为每秒40吉比特（Gbitss），这给设计者带来了额外的压力，因为难以满足信号完整性和电磁干扰（EMI）要求。此外，现在有多种数据和显示协议普遍使用TypeC连接器，这要求它们在其共同的总线上共用可用的带宽。同时设计者还需要确保连接器和所有的USB4组件一样，获得多个标准组织的认证。其他设计挑战包括减轻由于错误插入插头而造成的机械损坏的风险，以及需要适应更坚固、更先进功能的终端产品和使用模式。
　　USBTypeC规范确立了新的连接器要求，即在保持与现有USB形式的所有功能优势兼容性外，同时满足系统和设备不断发展的需求。本文解释了USBTypeC连接器的配置和特性，并对其应用进行了讨论。然后介绍了AmphenolICC通过USB4认证的USBTypeC连接器插座样件。这些连接器支持规范中列出的所有高级功能，包括减少EMI和提高连接器可靠性和机械完整性的额外功能。USB4第3代TypeC连接器，你知多少？
　　1USB4第3代TypeC连接器
　　USBTypeC插头和插座规范由USB实施者论坛（USBIF）在USBTypeC电缆和连接器规范修订版2。0文件中指定，该文件涵盖USBTypeC连接器上的USB4，并可在USBIF网站上免费下载。
　　USBC连接器使用24个引脚，在一个连接器中同时提供USB供电（USBPD）、数据传输、音频和视频输出。USBC连接器最引人注目的是其可反插特性；也就是说，插头可以以任何方向插入插座这是那些在插入旧的USBA连接器时遇到问题的用户非常喜欢的一个特性。看一下USBC插头和插座的信号分配，就可以看出这种能力（图1）。
　　图1中所示为是插座的中心引脚布局。图示有两个插头方向：上面是正常方向，下面是旋转180的插头。无论插头方向如何，插入插头时相应的信号都是匹配的。
　　图片来源：ArtPini
　　图1：从每个部分看USBC插头连接器（上方和下方）和插座（中间）的信号分配，我们可看出将插头旋转180插入时仍然可以获得正确的信号匹配。
　　USBC连接器内的信号组在表1中突出显示，与图1中相应的连接器引脚信号的颜色相匹配，显示了USBC连接器在不同应用中的多功能性。高速差分信号通道可以支持最高40Gbitss的传输速率，并且可同时用于USB4和备用模式及隧道协议。
　　表格来源：ArtPini
　　表1：USB4连接器信号汇总，包括两个高速差分信号通道，一个USB2差分信号路径，以及电源和接口控制信号。信号组的填充颜色与图1所示的相应连接器引脚信号的颜色完全匹配。
　　USB4支持的备用模式协议包括Thunderbolt、DisplayPort（DP）、移动高清链路（MHL）、外设组件高速互连（PCIe）和高清多媒体接口（HDMI）。其它备用模式协议可以通过USBPD协议握手来定义和启用，使用结构化的、供应商定义的消息（VDM）来发现和配置备用模式。
　　USBPD还允许设备协商由电源供电的功率水平。USB4支持的最大功率水平为100瓦、20伏、5安培（A）。这种能力可能需要电源可编程。电源控制和主动电缆允许快速充电。设备之间的供电合约是使用配置通道（CC）线路使用双相标记编码以300千波特速率和半双工模式进行协商的。
　　所有这些不同的协议都使用一个共同的连接器有很多好处，使之可应用于音频、视频、数据存储和数据通信应用。它还允许对开发中的新的和即将出现的协议进行定义。
　　该连接器的引脚分配布局符合人们常识印象，可最大限度地提高信号完整性。例如，高速和USB2数据线是差分的，可减少串扰和EMI。此外，所有数据线都在电源和接地总线或其他低带宽信号线之间运行，以提供隔离，而且高速数据线被布置在相对的两侧，以尽量减少通道间的串扰。
　　2AmphenolICCUSB4插座产品特性
　　为了帮助应对USB4的设计挑战，AmphenolICC推出了四种USB4第3代插座，其性能优于现有标准。它们是下一代连接器，达到标准要求的最高40Gbitss的数据传输率，且与USBPD兼容，同时通过Thunderbolt接口在单个TypeC连接器中结合了电源充电、隧道USB和PCIe数据传输。这些连接器还支持DisplayPort视频和音频，刷新率为60赫兹（Hz）的4K超高清（UHD）。
　　这些连接器的一个重要的USB4特性是它们能够在传输视频和数据时动态地优化带宽。根据标准，新的USB4连接器是向后兼容的，支持以前的USB版本，包括USB2、3。1和3。2，但具有可旋转的插头和电缆方向，大大增强了USB用户体验。该连接器的小尺寸和功能多样性使之成为融入新兴技术的理想选择。
　　3机械设计支持功率和耐久性
　　AmphenolICCUSB4插座旨在提供具有10，000次配接寿命的卓越性能，具有高耐用性和较少的插拔操作磨损。在导电路径的设计中重点加入了高质量的铜金属合金，确保了40毫欧（m）的低损耗接触电阻，以及扩展的5A电流额定值，使得USB供电输送功率达到100瓦。
　　该连接器的中间板侧壁进行了改进，最大限度地扩大了接触面积，并稳定了接触性能，使其无晃动（图2）。
　　图片来源：AmphenolICC
　　图2：AmphenolICCUSB4插座的强化侧壁设计实现了无晃动连接，提供了更好的EMI保护和更好的机械保护，防止插头误插。
　　增强的机械功能包括一个延伸的侧壁板，该板延伸到插座舌片的一角，以防止非TypeC插头的插入，如插入微型USB插头。相同的侧壁与中板一起接地，提供了额外的屏蔽并减少了EMI。在内屏蔽层上增加了凹痕，插入时会引导插头并保持插头体位置正确。整个机械组件提供了稳定的锁定性能和与配接导体表面的最大重叠接触面积，最大限度地减少了接触电阻。强有力的咔嚓声确保了完全插入。
　　4AmphenolICC产品系列
　　AmphenolICC产品中共有四个USB4TypeC插座（图3）。
　　图片来源：AmphenolICC
　　图3：AmphenolICCUSB4第3代TypeC插座包括三个顶部固定式版本和一个中间固定式版本。
　　GSB4D313302Y1HR采用直角通孔安装的顶部固定式插座目前已通过USBIF认证，并被英特尔推荐用于Thunderbolt4。其外壳具有前后一致的截面，中心高度为1。58毫米（mm）（从安装平面到连接器舌片的距离）。
　　12402056E512A和12402073E512A也是采用通孔安装的顶部固定式插座，但它们的外壳是矩形的，中心高度为1。57mm。撰写本文时这些插座标准认证正在申请中。
　　12402075E512A是一款中间固定式插座，中心高度仅为0。47mm，配置更加紧凑。它也使用通孔安装。该插座的认证目前也在申请中。
　　所有这些插座的额定工作温度范围为40C至85C，因此成为车载应用的绝佳之配。
　　5USB4连接器的应用
　　这些插座将在存储、汽车信息娱乐、家庭娱乐、对接设备、外设接口（显示器显示屏、投影仪）以及其他消费应用（如笔记本电脑）和平板电脑中找到用途。它们体积小，支持多种模式以及功率控制，实现了巨大的通用性。
　　6结语
　　USBTypeC连接器具有处理多种高速协议和功率水平的能力，随着用户寻求更快数据传输率、更高充电能力和更简便连接，它们正成为越来越多的应用的首选。有了USB4，用户就可以获得备用模式和隧道支持。这些改进将确保USB4在更多不同且可能更苛刻的环境和应用中得到更广泛的采用。为了帮助设计者使用，AmphenolICCUSB4插座的设计超过了基本的USBIF规范，减轻了EMI的影响，并确保了在多次插拔后和宽温度范围内保持良好连接。
　　小编的话：
　　作为音视频、数据存储、数据通信传输以及充电应用中最重要的连接标准，USBTypeC的标准一直在演进，无论是设计还是应用，都要基于对最新的协议有着充分的了解。通过这篇文章，我们对USB4和第三代TypeC的特性以及AmphenolICC相关插座所体现的性能有了更多的了解。您是否正在进行搭载USB4的系统设计？在选用USB4连接器上，您有哪些经验和考量？欢迎分享和交流！
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