USB Type-C连接器和电缆组件简介

是德科技KEYSIGHT 2022-04-27 7414

描述

USB-IF协会于2014年发布的Type-C接口是具有突破性的互连标准，其优异的性能、极简连接以及可扩展和多功能受到整个业内消费者的瞩目。近几年Type-C技术更是凭借以下的诸多优点，在消费类电子行业得到蓬勃发展：

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极简连接：

相比之前A/B/Mini-B/Micro-B口可以实现约8.3mm x 2.5mm小尺寸、扁平轻薄、支持正反连接。

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可扩展性：

可用于不同终端设备诸如电脑，手机，显示器，U盘，扩展坞等等。

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多功能性：

支持USB2.0、USB3.2、USB4、DP1.4a、DP 2.0/2.1、PCIe和PD功能。

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生态多样：

包括芯片和终端产品，比如台式机及笔记本、手机、扩展坞、U盘、显示器、嵌入式板卡、无源线缆、有源线缆等。

2021年9月，欧盟委员会正式提出一项议案，将USB Type-C作为智能手机、平板电脑、耳机、便携式音响、摄像头和一些电子游戏机的标准接口，此举旨在减少充电器生产相关的浪费；2021年6月新的USB PD3.1规范，扩展PD3.0支持的供电最大供电瓦数100W到240W(EPR: Extended Power Range)，可以为游戏本、大显示器等装置供电。这一系列新的法规的发布将更大地促进Type-C互连技术在整个行业的推广和普及。

Keysight（是德科技）在业内率先提供了Type-C完整的测试决方案。涵盖了Type-C USB4, USB3.2, DisplayPort2.1/2.0, DisplayPort1.4, Thunderbolt4/3等接口的收发端及线缆物理层测试、USB4/3.2 仿真、信号完整性和电源完整性仿真、串扰分析、USB Power Delivery 的一致性测试和调试解决方案。受制于篇幅，本文将重点介绍是德科技最新推出的基于网络分析仪、L8990M开关矩阵系统和S94USBCB全自动测试软件的USB Type-C互连一致性测试方案。

USB Type-C连接器和电缆组件简介

USB用于连接和供电设备的几种电缆连接器类型包括：Type-A、Type-B、Micro-B、Mini-B 等。与这些现有类型的USB电缆相比，USB Type-C 电缆具有对称和可逆的独特可用性优势。任何使用计算机和外围设备的人都知道，USB 标准 A/B 连接器必须单向插入，并且可能需要尝试几次才能找到正确的方向。 USB Type-C 连接器更容易插入，因为它是对称的并且可以在任何USB Type-C设备之间的任一方向插入。

设计和测试工程师在将设备接口从4针USB 标准 A/B 连接器更新为24针USB Type-C连接器时面临着若干挑战。新的USB Type-C连接器和电缆组件引入了一些新的设计以解决标准 A/B 类型连接器/电缆的固有问题，并为启用 Type-C功能的新产品提供更多特性和功能。

USB Type-C 引脚图。

注意，此对称接口为正反可插拔的结构

上图为USB Type-C 连接器的引脚图。这些引脚的功能概述如下：

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四个高速数据发送/接收对（TX1+/-、RX1+/-、TX2+/-、RX2+/-）

这些引脚可用于高速数据总线或交替 (ALT) 模式。四组发送和接收(Tx/Rx)对允许一个、两个或所有四个通道随时用于数据传输。USB Type-C连接允许两种不同的协议(比如PCIE, DisplayPort)同时主动发送和接收，并且支持在未来的USB实现中将单个协议的 Tx/Rx 速度提高一倍(比如下一代的USB标准USB4V2.0)。

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两个USB2.0差分对 (D+/D-)

USB 2.0数据总线的专用引脚，以确保始终提供USB 2.0向后兼容性。

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四个电源/接地对 (Vbus, GND)

管理多个外围设备的供电电路，为设备提供电源以使其在设定的功率水平下运行。设备能够请求所需的功率，并在特定应用需要时获得更多功率。

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两个检测引脚（CC1、CC2），1 个引脚重新用于 Vconn

这些引脚决定了电缆配置和电缆方向检测。USB Type-C 连接器使用单线方向检测来维持主机到设备的逻辑关系。Type-C电缆中只有一根CC信号线，当电缆组件插入到主机和设备的连接器时，电缆组件的 CC 连接到主机和设备的 CC1 或 CC2，这决定了电缆的方向。另一个主机和设备连接器上的 CC 引脚重新用作 Vconn（5V 电源轨）和GND，用于为有源电缆中的电源电路供电，无需使用来自Vbus的电源。

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两个辅助总线引脚（SBU1、SBU2）

没有为当前 Type-C 连接应用指定的辅助总线或“Sideband”信号。但是，它们可以用于交替模式传输或其他未来可扩展性(比如用于DisplayPort Over Type-C传输的AUX信道)。

基于USB Type-C互连提供的强大硬件能力，USB Type-C 连接器和电缆组件不仅提供向后的 USB 兼容性，而且还增加了电源管理和数据传输的功能。 USB Type-C 供电提供高达 20 伏、5 安和 100 瓦的动态电源和不同设备的充电。发射器/接收器 (Tx/Rx) 对可用于 USB 或“访客协议”，例如 DisplayPort、MHL 或 Thunderbolt 数据传输，从而可以传输除 USB 之外的高速数据、视频和音频信号。 USB Type-C 数据传输速率高达 40 Gbps（USB4 Gen3和Thunderbolt-3 Gen3），未来有能力达到 80 Gbps。这些新功能为设计和测试工程师带来了更大的挑战，他们通过执行 USB-IF 标准一致性测试来确保其 USB 通道和设备的互操作性。

以前，USB 连接由电源线和两条数据线组成，但 USB Type-C 通道可以动态改变电源电平和数据信号。建立初始端到端 USB Type-C 连接时，使用 CC1/CC2 引脚（配置通道）解析电缆方向，设备确认连接并建立主机/设备角色。然后，供电电路开始通过 Vbus 和 GND 连接管理每个连接设备的电源。各个主机和设备决定使用哪对 Tx/Rx 引脚（SBU1/2 引脚用于“alternate”协议）。 Tx/Rx 引脚可用于 USB 或其他协议，并且引脚可以并行组合以实现更快的数据传输。通道功率和信号电平由功率传输电路管理，并且可以在连接设备进行充电或新传输时发生变化。

使用支持USB Type-C的产品的消费者会发现它们功能更强大，使用更简单。然而，工程师在测试期间需要管理更多的复杂性，特别是在考虑许多不同的功能场景时，需要在通道中进行全面的测试。

USB Type-C 互连测试要求和挑战

如前所述，USB-IF负责制定USB相关的标准，USB Type-C 互连也不例外。Type-C连接器和电缆组件测试主要参考的规范是Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification和Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document。目前最新的版本是Rev.2.1。

USB-IF Type-C互连主要参考规范

前者主要对不同应用场景、不同最高信号传输速率条件下的Type-C互连要求做了详细的规定，其中包括和测试相关的详细的测试参数、测试条件、测试方法等；后者主要集中在一致性合规测试要求方面。下面我们对这些 Type-C互连测试规范做一个简单的解读。

USB Type-C互连类型

USB标准对以下五种Type-C互连类型分别做了详细的要求：

Type-C to Type-C 电缆组件(Type-C to Type-C Cable Assemblies)

Type-C to传统电缆组件(Type-C to Legacy Cable Assemblies)

Type-C to 传统适配器(Type-C to Legacy Adapters)

Type-C 插座连接器（Receptacle Connector）

裸电缆(Raw Cable)

USB Type-C互连支持的最高信号传输速率

USB标准对Type-C互连定义了四种需要支持的最高速率：

USB4 Gen3: 20Gbps/Lane

USB4 Gen2 and USB3.2 Gen2: 10Gbps/Lane

USB3.2 Gen1: 5Gbps/Lane

USB2.0: 480Mbps/Lane

USB Type-C标准电缆组件

USB标准对Type-C到Type-C标准电缆组件，主要根据速率的不同，定义了以下几种规格：其中，USB4 Gen3, USB4 Gen2 and USB3.2 Gen2, USB3.2 Gen1和USB2.0建议最大的无源电缆长度分别是0.8M, 1M, 2M和4M。

USB Type-C标准电缆组件

USB Type-C传统电缆组件

USB标准对Type-C到传统电缆组件，主要根据速率和连接器接口类型的不同，定义了以下几种规格：

USB Type-C传统电缆组件

USB Type-C 电缆和适配器组件中USB2.0和低速信号测试要求

USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS Test Group B-2定义了USB2.0 D+/D-信号和CC1/CC2、SBU1/SBU2等低速信号的测试要求，其中B-2-5到B-2-13专门针对的是 Type-C to Type-C电缆组件：

USB Type-C 电缆和适配器组件USB2.0

和CC/SBU低速信号测试要求

USB Type-C 电缆和适配器组件中超高速信号测试要求

USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS Test Group B-3定义了USB4 Gen2&USB3.2 Gen2, USB3.2 Gen1超高速信号的测试要求，B-4-1定义了针对Type-C互连的电缆屏蔽效能要求：

USB Type-C 电缆和适配器组件

超高速信号测试要求

USB Type-C 电缆组件中USB4 Gen3信号测试要求

USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS Test Group B-8定义了USB4 Gen3 20Gbps/lane信号的测试要求：

USB Type-C 电缆组件USB4 Gen3信号测试要求

USB Type-C互连测试中一些重要的电气参数说明

简单的比较上面的Test Group B-2和B-3 & B-8要求，不难发现：相比较于USB2.0等低速信号，高达10Gbps/lane和20Gbps/lane的超高速信号以及USB4 Gen3信号，对电缆、连接器和信号通道提出了更加严苛的要求。除了用网分加TDR选件进行差分阻抗(Differential Impedance)、信号对衰减(D+/D- Pair Attenuation)、信号对传输时延(D+/D- Pair Propagation)、信号对内延时差(D+/D- Intra-Pair Skew)、差分插入损耗(Differential Insertion Loss)和差分回波损耗(Differential Insertion Loss)等常规时域测试外，USB标准引入了很多新的电气参数对Type-C互连进行检测。比如：插入损耗拟合(Insertion Loss Fit at Nyquist Frequencies, ILfitatNq)、积分总串扰(Integrated Total Crosstalk, IXT_DP/IXT_USB)、积分回波损耗(Integrated Return Loss, IRL)、积分多重反射(Integrated Multi-reflection, IMR)、差模转共模(Differential to Common Conversion), 信道操作裕量(Channel Operating Margin, COM)等。这些参数基本上是对原始的S参数进行数据后处理重新做数据拟合或积分得到。

USB-IF合规测试工具介绍

USB-IF组织针对上述测试项目，引入了新的合规测试工具对S参数进行后处理，得到Pass或Fail的判断。对 USB4 Gen3 电缆组件的信道操作裕量 (COM) 和积分串扰等测试，需要基于 Matlab 的新的合规测试工具 (Get_iPar.exe)，编译 44 组 S 参数以进行合规判断。用户需要手动设置工具的配置文件来编译和验证通过/失败的判断。USB4 Gen2/USB3.2 Gen2/USB3.2 Gen1等其他电缆组件类型也需要类似的Matlab 测试工具 (IntePar.exe)，编译 30 组 S4P参数，用于高速信号测试结果Pass/Fail的判断。

执行 USB-IF合规测试工具 (Get_iPar) 的手动步骤，用于 USB4 Gen3 高速信号测试(44 套 S4P)和 USB4 LRD 有源电缆测试(28 套 S4P）

传统的USB Type-C互连测试挑战

通过以上对USB Type-C互连测试要求的描述不难发现，使用 4 端口 VNA 并遵循实施方法 (Method of Implementation, MOI) 文档的传统 USB Type-C 电缆测试方法需要大量端口重新连接才能完成完整的 S4P 测量。这些手动操作可能会导致更长的测试时间，比如严格按照USB Type-C互连一致性测试标准对一条 USB4 Gen3 电缆组件高速信号测试就需要使用 4 端口 VNA 进行 44 次端口连接得到44个S参数，然后导入Get_iPar工具进行分析，整个过程大约需要 3 到 5 小时。并且容易出现不必要的人为错误，从而使一致性测试变得低效且更具挑战性。

是德科技USB Type-C互连测试解决方案

方案一

使用4端口 VNA 的一体式解决方案

传统的连接器和电缆组件一致性测试使用矢量网络分析仪 (VNA) 进行频域分析，使用 TDR（时域反射计）示波器进行时域分析。 Keysight ENA 系列网络分析仪具有增强型时域分析（选项 TDR）应用程序，可提供测量所有合规性参数的一体式解决方案。

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支持实施方法(MOI)文档，提供一步一步的详细操作步骤，按照USB-IF一致性测试规范手动测试指定的参数。

•

基于支持的 VNA 型号，根据 USB-IF一致性测试规范，提供具有预定义测量参数和测试模板限制的状态文件。

•

可以在如下链接找到针对支持的不同VNA型号的USB Type-C连接器和电缆组件 MOI和状态文档。(http://www.keysight.com/find/ena-tdr_usbType-C-cabcon)

是德科技 VNA +TDR选件的一体式解决方案

推荐的配置如下：

Item

Description

Quantity

Network Analyzer

Min. 4-ports, 20 GHz is recommended as USB4/Type-C cable/connector requires measurements up to 20 GHz

(Low-speed signal test required start frequency at 300 kHz)

• E5080B-4K0: 4-port test set, 9 kHz to 20 GHz or

• P5024A/P5024B-400 Streamline USB/TBT Series VNA or

• M9804A-400 PXI Multiport VNA

VNA

Software

• S9x011B Enhanced time-domain analysis with TDR

• S9x007B Automatic Fixture Removal (Optional)

* Selection is based on the VNA platforms. x=6 for ENA, x=7 for Streamline VNA, x=5 for PXI, x=3 for PNA family

ECal

N4433D-010/0DC 4-Ports Electronic Calibration (ECal) Module

Test

Fixture

USB Type-C official test fixture

Fixtures for testing USB Type-C and USB 3.x legacy cable assemblies are available for purchase through LUXSHARE-ICT.

Note: The list includes key setup configurations. For full details, please refer to USB Type-C Test MOI.

方案二

使用是德科技USB Type-C自动互连测试解决方案

如果采取方案一，严格按照USB Type-C互连一致性测试标准对一条 USB4 Gen3 电缆高速信号测试大约需要 3 到 5 小时。即使不考虑大概率存在的人为操作失误，测试时间在工程应用中也是不可接受的。真正的多端口 PXI-VNA 可能是一个不错的选择，但也会带来更高的测试成本。

基于此，是德科技推出了USB Type-C 自动互连测试解决方案，这种方案是一种包含硬件和软件的整体方法。除了 VNA 作为主要测试仪器外，还可以选择使用 4 到 20 端口开关矩阵系统 (L8990M-0LZ) 来实现全端口切换，而无需手动重新连接端口。与帮助客户满足大批量生产测试成本预算的 PXI-VNA 相比，开关矩阵系统被认为是一种更实惠的多端口测试解决方案；S94USBCB 一致性测试软件提供全面的测试覆盖率和深入的测试结果分析，进一步提高了测试效率。

是德科技 USB Type-C 自动一致性

测试解决方案的设置概述

下面对这套解决方案的主要功能做一个详细介绍：

• 使用设置向导实现快速设置和校准

校准是进行良好 VNA S 参数测量的关键过程之一。一致性测试涉及时域和频域测量，这就需要进行不同的校准步骤。为确保获得最佳测量结果，S94USBCB 通过自动校准向导很好地处理了这些过程，包括为每个开关路径校准开关矩阵系统。

L8990-0LZ开关矩阵物理配置

和Tier1&Tier2系统校准说明

• 简化测试夹具去嵌入步骤以实现高精度测量

传统的测试夹具去嵌入过程要求用户将夹具 S2P 文件加载到VNA 固件中，针对时域和频域测量有不同的设置面板。这些步骤很容易被跳过或容易出现人为错误，从而导致测量结果不准确。利用强大的自动夹具移除 (AFR) 软件，该解决方案包括单端 AFR，用于测量和以数学方式消除 2 端口测试夹具的影响；可以生成夹具的 S2P 文件并将其加载到 VNA 固件中，通过几个简单的操作就可以实现夹具去嵌入。

S94USBCB 软件中的自动校准

和测试夹具去嵌入面板

• 在简单的工作流程中提供全面的测试覆盖率

S94USBCB 软件提供全面的测试覆盖范围，以测试各种 USB Type-C 电缆组件和连接器。它将超过130页的测试MOI和近100个测试程序转换为软件自动化，大大减少了手动测试流程，避免了可能的操作错误。

一致性测试设置面板已将每种电缆组件/连接器类型及其支持的 USB速率合并到不同的测试集和测试组中。用户只需选择他们的 DUT 类型，即可加载所需的测试集。测试集基于 CTS 进行分类，默认检查规范的测试参数。这允许用户验证他们的 DUT 是否完全符合USB一致性标准，同时确保设备的互操作性。每个测试集涵盖的测试参数的详细信息，请参阅S94USBCB 测试 MOI 。

此外，“优化连接数”功能将通过在具有相似端口连接的测试中删除冗余测试端口来智能地执行测试优化，将进一步缩短测试吞吐量和整体测试时间。

针对各种电缆组件和连接器类型的

一致性测试设置面板

• 自动化集成USB-IF合规测试工具

USB-IF 提供的合规测试工具是基于 Matlab 的程序，需要在 PC 上运行。它涉及从 VNA 导出的大量S 参数文件和配置文件设置以执行 Matlab 工具，结果验证基于对工具生成的每个输出电子表格的自我检查。通过将 Get_iPar 和 IntePar合规测试工具集成到单个软件平台中，用户只需从测试计划面板执行测试。 S4P 测量和测试工具编译将自动运行，测试结果和波形图合并在测试报告中。4 转 20 端口 L8990M 开关矩阵系统的自动化通过消除 USB4 Gen3 的 44 次端口重连（44 个 S4P 文件, 使用 Get_iPar 工具）和用于 USB4 Gen2/USB 3.2 Gen2/USB3.2 Gen1高速信号测试的30次端口重连（30 个 S4P 文件，使用 IntePar 工具），进一步提高了测试吞吐量。

在测试工作流程和报告中

集成 USB-IF 合规测试工具

• 通过全面的测试报告提供对测量结果的更深入了解

当前的测试 MOI 方法依靠人工操作来验证 VNA 和一致性测试工具上的测试Pass/Fail结果。通过一致性软件自动化，现在用户只需要执行测试流程，结果判断就会显示在测试面板上。该解决方案包括 HTML 报告，该报告提供结果表，其中包含每个测试参数的测试限制、余量、测试描述和通过/失败状态。它还捕获 VNA 测量的波形截图，以供参考和记录。测试原始数据（CSV、S4P 文件）将保存在测试目录中，可用于生产良率分析和数据分析。

使用手动方式和自动化解决方案运行典型的

USB2.0 D+/D- 对内延时差测试

• 强大的调试和实时故障排除能力

增强型 TDR 应用程序已更新用来支持外部 L8990M 开关矩阵控制，用于从VNA 固件进行实时调试（此功能受 VNA 许可证选项 S9x011B 的限制）。这时不需要为 S94USBCB 一致性测试自动化设置任何配置。本部分用于调试目的，允许从增强型 TDR 应用程序窗口进行开关矩阵控制。

增强型 TDR 应用中的开关矩阵选项卡

针对本章开始提及的USB4 Gen3 电缆高速信号测试应用实例，采用是德科技全新的USB Type-C自动互连测试解决方案，测试时间由3~5个小时下降到大约30分钟内，节省了大约90%的测试时间。

一根 USB4 Gen3 电缆的

高速信号测试的典型测试时间

最后再总结一下是德科技全新的USB Type-C自动互连测试解决方案的特点：

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支持所有 Keysight VNA 的灵活测试配置：E5080B VNA、PNA 系列、P502xA/B Streamline VNA 系列和 PXI-VNA 系列

•

使用 Keysight PathWave 测试自动化平台进行测试排序和测试自动化

•

使用 L8990M 4 至 20 端口开关矩阵系统自动执行所有多端口测量

•

使用设置向导实现快速设置和校准

•

通过测试夹具去嵌入和自动夹具移除 (AFR) 提供准确的测量

•

集成 USB-IF合规测试工具（Get_iPar 和 IntePar）以实现完全一致性测试自动化

•

通过全面的 HTML 测试报告为您的测量提供更深入的见解

是德科技全新的USB Type-C

4端口半自动化和全自动互连测试解决方案

推荐配置如下：

Supports Mode：

4-Port Semi-Automated Mode

Item

Description

Quantity

Network

Analyzer

4-ports, min 20 GHz is required.

• E5080B-4K0: 4-port test set, 9 kHz to 20 GHz or

• P5024A/P5024B-400 Streamline USB/TBT Series VNA or

• M9804A-400 PXI Multiport VNA

VNA

Software

S9x011B Enhanced time-domain analysis with TDR

* Selection is based on the VNA platforms. x=6 for ENA, x=7 for Streamline VNA, x=5 for PXI, x=3 for PNA family

S94USBCB - USB Type-C Interconnects Compliance Test Software

High-Speed Digital Interconnects Compliance Tests Software Suite

KS8400B - PathWave Test Automation

KS8104B - HTML5 Result Listener Plugin

ECal

N4433D-010/0DC 4-Ports Electronic Calibration (ECal) Module

Test

Fixture

USB Type-C official test fixture

Fixtures for testing USB Type-C and USB 3.x legacy cable assemblies are available for purchase through LUXSHARE-ICT.

Supports Mode：

Fully Automated Mode

Item

Description

Quantity

4-Port mode setup

Using same setup configurations as above 4-port semi-automated mode.

Switch

matrix

L8990M-0LZ: 4-to-20 ports switch matrix system, DC-26.5GHz. All required cables (24 test cables and 16 semi-rigid cables) are included.

Note: The list includes key setup configurations. For full details, please refer to S94USBCB product datasheet.

小结

随着USB Type-C技术的日益普及，了解Type-C互连的测试挑战和解决方案有助于确保成功地对设备进行 USB Type-C 集成，缩短产品的上市时间。本文介绍的是德全新的全自动化解决方案，和手动测试相比，可以节省大约90%的测试时间。希望对大家的工作有所帮助！

审核编辑：李倩

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