在USB标准的发展历史上,USB4可能是USB自从问世以来,重要性仅次于Type-C 接头的发展里程碑。由于USB4 整合了Thunderbolt 3协定,不仅介面频宽的极限值一口气拉高到40Gbit/s,支援其他协定的方法也更优雅、更有效率,为USB介面开拓了更多潜在应用市场。

 

USB4性能全方位提升 性价比远超Thunderbolt

 

威锋电子新市场开发部总监Terrance Shih(图1)指出,提到USB4,一般都会想到更快的传输速率,但与先前的USB版本相比,USB4不只是速度更快而已,在传输机制方面,也有很明显的改良。

 

图1 威锋电子新市场开发部总监Terrance Shih指出,由于传输机制改良,USB4的整体性能有了十分明显的突破
 

在USB3.x介面,藉由Alternative Mode,USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的讯号格式,进而让USB介面可以当作影音传输介面来使用。但Alternative Mode会占用一条专属通道,如果用USB3.x介面同时连接Displayport跟其他资料储存装置,即便Displayport没在使用,分配给Displayport的专属通道也不会释放给其他资料传输应用,降低资源运用的效率。

 

针对这个问题,USB4採用穿隧(Tunneling)协议的作法。例如在USB、Displayport跟PCI Express三种协定同时存在的情况下,USB4的主控端(Host)会把这三种不同协定的封包汇聚起来,在一条共通的通道上传输;到了装置端再把不同协定的封包分离,配送到对应的周边设备。

 

由于传输机制的改良,USB4介面的资源使用变得更有效率,不同协定的资料在传输时彼此拖累的情况大有改善,让USB4变成一个更理想的多用途介面。这对于笔记型电脑扩充基座(Docking)这类需要连接多样化周边的应用来说,是相当关键的。

 

而且,虽然USB4跟Thunderbolt4使用一样的协定,具有相同的传输效能,但因为拿掉了vPro这类高阶功能,验证跟取得Logo授权的成本也低很多,因此,支援USB4的产品会比Thunderbolt4要便宜得多,有利于市场推广跟普及。

 

测试工作繁重 自动化将成关键

 

在USB4的相容性测试跟合规测试方面,由于频宽增加,又强化了对多种协定的支援性,因此USB4产品的设计验证跟测试工作,变得更为複杂。

 

是德(Keysights)科技技术专家邱柏胜(图2)指出,由于频宽增加,因此USB4对电气特性的要求,变得更为严谨。因此,工程师需要更精准的抖动(Jitter)跟杂讯分析工具,测试设备也必须支援更先进的等化(Equalization) 与数学运算功能。而在协定分析方面,因为USB4是一个主打多协定融合的介面,所以工程师所使用的工具除了要能涵盖USB4,还必须支援Displayport 等其他协定。

 

图2 是德科技技术专家邱柏胜表示,为降低USB4测试的人力作业负担,测试工具的自动化将是必然的趋势
 

但除了仪器本身的讯号撷取跟协定分析功能外,邱柏胜认为,自动化测试能力,将是仪器厂商能否真正协助USB4开发者解决问题的关键所在。USB4的测试规范十分严谨,又要支援多种协定,意味著工程师需要执行的测试项目将大幅增加,且其中有些测试项目需要相当长的时间才能完成。因此,更强大的自动化功能,将是USB4测试方案中不可或缺的一环。

 

确保介面性能表现 USB-IF要求线缆品质

 

作为承载讯号的介质,线缆的品质是决定介面真实性能表现的重要因素,尤其是对于像USB4 这种高速界面来说,线缆的好坏,更会对介面的传输性能造成极大影响。为确保线缆的品质合乎规范,USB-IF对USB4的线缆设计,也提出了对应的规范与测试要求。

 

优力国际安全认证(UL)专案工程师叶建纬(图3)指出,USB-IF 已经发布USB4 Gen 3线缆以及连接器标准及需求,规定线缆跟连接器必须支援15GHz频宽,测试时的频宽则为20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相关规格,就目前可以掌握的消息,对裸线的设计没有太大的变化。

 

图3 优力国际安全认证专案工程师叶建纬表示,为确保USB4的性能表现,USB-IF对线缆有明确的规格要求跟测试规范
 

但因为USB4必须搭配Type-C 连接器,因此USB4线缆设计还是须符合Type-C的结构设计要求,如图4所示。此外,除了讯号线以外,USB4线缆还须包含其他功能性芯线,如VBUS VCONM SBU等。针对这些芯线的设计规格,USB-IF均有对应的规定,且USB-IF规定线缆结构直径不可超过4.8mm+/- 0.2,所以使用长度上必定会有所限制。

 

图4 Type-C缆线结构设计要求

 

叶建纬指出,整体线径的规范是使用便利性跟效能、成本妥协后的结果。线径变粗固然可以让线缆具有更好的性能,但同时也会让线缆变得难以弯折,对使用者造成许多不便,更会增加生产成本。

 

基本上,对于USB4缆线这类电缆而言,同轴线的设计及製程,会决定线缆特性及品质的好坏。成缆、编织以及外被押出,对于同轴线来说都是损耗,所以在各製程的机台选择、参数设计及製程能力都需加以验证及设计。

 

加工方式也会直接或间接的影响同轴线的生产。大多数加工厂使用光学镜头对焦及雷射切割,因此芯线本身的颜色,也会是影响製程稳定性的主要因素之一。遮蔽材料的包覆也会影响加工的便利性,加工时导体及绝缘长度,则会直接影响线缆的所有特性。

 

USB PD3.1配套还需酝酿

 

除了频宽跟协定的改良外,更大的功率传输能力,也是USB介面的重要发展方向。在USB进入4.0时代之后,专门规范USB 供电能力的USB PD也进入了3.1 时代,将功率传输的极限提高到240W。

 

伟诠电子资深处长罗汶光(图5)指出,USB PD3.1规范最重要的变动,在于增加了EPR(Extended Power Range)跟AVS(Adjustable Voltage Supply)两个机制。EPR 让USB PD的供电电压可以提高到48V,进而实现240W供电能力;AVS则是考量到电压变化范围加大,既有PPS模式没有规范到20~48V这个区间,所做出的电压调节补充规范。

 

图5 伟诠电子资深处长罗汶光指出,虽然USB PD3.1将供电能力的上限提高到240W,但受到电路拓扑的限制,120W以下的应用产品会发展得比较快
 

但罗汶光也指出,虽然PD3.1 将供电能力的极限提高到240W,但因为是透过将供电电压提高到48V来实现,所以在充电器设计、受电端的安全防护方面,都需要做好对应的配套。

 

在充电器设计方面,目前最大的挑战在AC/DC电路拓扑的选择。目前已经很成熟的QR、ACF拓扑,在48V条件下的效率表现不是很理想,因此业界正在探索使用混和式拓扑的可能性,让充电器的AC/DC电路在低压跟高压工作条件下,都能有良好的效率表现。

 

在受电装置的安全性方面,由于电压提高到48V,所以在Type-C接头被拔出受电装置时,可能会产生电弧火花。这会带来相当大的安全疑虑,故受电装置的製造商,例如NB厂商,必须导入对应的保护机制,才能降低意外事故发生的风险。