一種USB3.0接口電連接器的設(shè)計(jì)

，德偉

(沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司駐117廠軍事代表室，遼寧沈陽(yáng)，110144)

1 前言

目前，軍事/航天通信、航空、GPS(全球定位系統(tǒng))以及生產(chǎn)設(shè)施的不斷計(jì)算機(jī)化推動(dòng)了技術(shù)的快速發(fā)展和變化，從而也創(chuàng)造出對(duì)高速傳輸電連接器的需求。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，作戰(zhàn)方式體現(xiàn)為具有越來(lái)越明顯的海陸、空協(xié)同作戰(zhàn)的趨勢(shì)，立體化戰(zhàn)爭(zhēng)已成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的必然發(fā)展方向，伴隨而來(lái)的是軍事信息交換的劇增和反應(yīng)速度的瞬時(shí)化要求。信息化網(wǎng)絡(luò)正是這一需求強(qiáng)有力的技術(shù)措施，在高速信息傳輸中借用RJ45、USB2.0等民用接口來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，把它引入軍事領(lǐng)域，在惡劣環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)民用產(chǎn)品不能實(shí)現(xiàn)高可靠性能要求，將民用RJ45、USB2.0等網(wǎng)絡(luò)接口，利用成熟的軍用電連接器技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高速傳輸、高可靠性、耐環(huán)境性和抗沖擊性等，同時(shí)又具有鎖緊快速、安裝及-接線方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2 USB3.0介紹

2.1 什么是USB 3.0

USB 3.0也稱作Super Speed USB，它的傳輸速度能達(dá)到5Gbps，可提供高達(dá)600MB/S的帶寬，并且可以向下兼容1.1版和2.0版。USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范于2008年11月12日正式發(fā)行，版本為1.0。

2.2 USB3.0的接口類型

目前，有以下6種類型的USB 3.0接口；

1) USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)A公插和母座；可以向下兼容USB2.0的標(biāo)準(zhǔn)A 公插和母座。

2) USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)B公插和母座；

3) USB 3.0裝有負(fù)載的B公插和母座；

4) USB 3.0 Micro-B公插和母座；

5) USB 3.0 Micro-A公插；

6) USB 3.0 Micro-AB母座；

2.3 USB 3.0特點(diǎn)

USB3.0接口特點(diǎn)如下：

a)速度更快：速率從480Mb/s提升到5Gbps；USB2.0基于半雙工二線制總線，只能提供單向數(shù)據(jù)流傳輸，而USB3.0采用了對(duì)偶單純形四線制差分信號(hào)線，故支持雙向并發(fā)數(shù)據(jù)流傳輸。也就是說(shuō)USB 2.0的輸入輸出線路無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作，即輸入信號(hào)時(shí)無(wú)法輸出。而在USB3.0增加的5條線路中，兩條為數(shù)據(jù)輸出，兩條為數(shù)據(jù)輸入，并且這四條線路可以實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)傳輸。

b)更多電力，USB 3.0電耗是USB2.0的三分之一，供電量是USB2.0的2倍；

c)更省電，運(yùn)作方式由Polling 變成Interrupt，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)；

d)USB3.0向下兼容USB2.0(注意：Micro系列不兼容)，USB 3.0接口線材包含三類線芯，其中UTP信號(hào)線用來(lái)傳輸U(kuò)SB2.0 信號(hào)；

e)支持OTG(on-the-go)；即在沒(méi)有主機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸；為電磁干擾(EMI)提供保護(hù)；

f)在USB 3.0 線材里，線芯被要求放入一個(gè)金屬封套里。封套和插頭金屬外殼連接，盡可能接近360°，以防止電子干擾。

3 一種耐環(huán)境USB3.0連接器設(shè)計(jì)

鑒于USB3.0接口以上優(yōu)點(diǎn)，可將其引入軍事領(lǐng)域，在惡劣環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)民用產(chǎn)品不能實(shí)現(xiàn)高可靠性能要求，將民用USB3.0接口，利用成熟的軍用電連接器技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高速傳輸、高可靠性、耐環(huán)境性和抗沖擊性等，同時(shí)又具有鎖緊快速、安裝及-接線方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

a)工作溫度：-55℃～+125℃；

b) 工作電壓：30VAC;

c) 耐電壓：100VAC;

d)絕緣電阻：≥1000MΩ(常溫)；

e) 振動(dòng):15g;

f) 沖擊:30g;

g) 耐鹽霧：500h;

3.2 接口選擇

按實(shí)際要求3.0USB插座需要安裝接口尺寸符合某系列方盤插座中21號(hào)殼體產(chǎn)品的接口及安裝尺寸，內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)兩路USB3.0信號(hào)同時(shí)通過(guò)。為實(shí)現(xiàn)上述要求對(duì)USB3.0母口進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，現(xiàn)階段USB3.0接口包括：A型、B型、Micro-B型、Micro-A型、Micro-AB型等，確定采用USB3.0 A型口，由于內(nèi)部安裝空間有限，采用雙層USB3.0 A型母口以節(jié)省內(nèi)部安裝空間，USB3.0 A型母口外形見(jiàn)下圖。

圖1 USB3.0 A型母口外形圖

USB3.0 A型母口性能如下：

a)工作電壓30VAC；

b) 耐電壓：常溫100VAC；

c) 絕緣電阻：常溫不小于1000MΩ；

d) 傳輸性能符合USB3.0標(biāo)準(zhǔn)要求；

e) 額定電流：1～4為1.8A,其余為0.25A；

此外，地方高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育師資力量薄弱，現(xiàn)有師資缺乏相關(guān)的行業(yè)知識(shí)、科研創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，難以滿足傳授跨學(xué)科知識(shí)的需要，在工匠精神養(yǎng)成方面難以發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。社會(huì)對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)關(guān)注和支持不夠，鼓勵(lì)創(chuàng)新、寬容失敗的良好環(huán)境尚未形成。

f) 接觸電阻：1～4為30mΩ,其余為40mΩ。

4 USB3.0連接器設(shè)計(jì)

一種耐環(huán)境雙接口USB3.0連接器，包括耐環(huán)境雙接口USB3.0插座、耐環(huán)境雙接口USB3.0插頭。

4.1 插座設(shè)計(jì)

4.1.1 插座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耐環(huán)境雙接口USB3.0插座由方盤殼體、前定位塊、密封圈、后定位塊、擋圈、橡膠墊、USB3.0雙口母座、印制線路板組成，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2；

圖2 USB3.0插座結(jié)構(gòu)圖

USB3.0雙口母座通過(guò)印制線路板加長(zhǎng)轉(zhuǎn)接，構(gòu)成焊接模塊見(jiàn)圖3，方便后續(xù)接線。印制線路板上可實(shí)現(xiàn)電源線與信號(hào)線分層設(shè)計(jì)，避免相互間干擾，差分對(duì)信號(hào)線通過(guò)阻抗匹配設(shè)計(jì)保證產(chǎn)品線路上阻抗匹配，以滿足高速傳輸信號(hào)的完整性。焊接模塊通過(guò)前定位塊見(jiàn)圖4、后定位塊見(jiàn)圖5及擋圈見(jiàn)圖6固定在方盤殼體見(jiàn)圖7中，方盤殼體中裝入密封圈可實(shí)現(xiàn)插座與插頭對(duì)接間隙的密封作用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品防潮濕功能，方盤殼體與插頭間通過(guò)三頭螺紋連接可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速連接。

圖3 焊接模塊示意圖

圖4 前定位模塊示意圖

圖5 后定位模塊示意圖

圖6 擋圈示意圖

圖7 方盤殼體示意圖

4.1.2 電路板設(shè)計(jì)

由于雙層90°UAB3.0母座接觸對(duì)數(shù)量多(18點(diǎn))、間距小(僅為2mm)，所以電路板焊盤間線路條1～4間寬度僅能為0.15mm。但USB3.0的1～4引腳的額定電流為1.8A,其余引腳的額定電流為0.25A，為保證產(chǎn)品額定電流，根據(jù)PCB板銅箔厚度與線路走線寬度和通流量關(guān)系表及產(chǎn)品尺寸進(jìn)行選擇，2～3引腳線路條寬0.5mm, 其余引腳線路條寬0.15mm,覆銅厚度選擇70μm。

按表1 USB3.0接口信號(hào)定義要求，PCB板疊層設(shè)計(jì)為4層。GND和VCC各一層，不需要再另外布電地信號(hào)線；信號(hào)在TOP 和bottom層走線。每個(gè)USB3.0的VCC需要電流量為1.8A，根據(jù)電流量保證VCC層線寬。USB3.0的3對(duì)差分線需要按差分阻抗90ohm走線，每對(duì)差分線與其它信號(hào)的間距需要大于20mils。USB3.0的差分對(duì)布線需要保證完整的電層或者GND層參考，不允許無(wú)參考層或者跨溝。USB3.0差分對(duì)布線不允許從其它差分對(duì)之間穿插走線。

表1 USB3.0接口信號(hào)定義表

層疊結(jié)構(gòu)定義：1.TOP(信號(hào)) 2.GND 3.VCC 4.BOTTOM(信號(hào))，布線示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 布線示意圖

表2 PCB板銅箔厚度與走線寬度和流量關(guān)系

圖9 電路板圖

4.2 插頭設(shè)計(jì)

耐環(huán)境USB3.0插頭由殼體、連接螺帽、彈簧爪、鉚釘、屏蔽環(huán)、左定位快、右定位塊、USB3.0公頭線纜、并圈卡簧組成，詳見(jiàn)圖10。

插頭的彈簧爪通過(guò)鉚釘與連接螺帽固定，彈簧爪上沖壓出的凸起與殼體外圈鍵齒配合，可實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)、沖擊等環(huán)境下插頭、插座的可靠連接。并圈卡簧將連接螺帽限位到殼體上。左定位塊、右定位塊將USB3.0公頭線纜限位到殼體內(nèi)部，由于插頭設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單這里就不再詳細(xì)論述。

圖10 USB3.0插頭結(jié)構(gòu)圖

5 測(cè)試方案研究

通過(guò)連接器和線纜傳輸如此高的速率必須考慮通道的不連續(xù)性引起的失真。為了將失真程度保持在一個(gè)可控的水平，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了線纜和連接對(duì)的阻抗和回波損耗。最新的測(cè)量使用S參數(shù)S11表征而且必須歸一化到線纜的90歐姆差分阻抗。反射電壓與發(fā)射器和待測(cè)器件之間的阻抗失配成比例，關(guān)系如下式：

Z0是源阻抗，ZL(t)是待測(cè)器件的阻抗，r(t)是反射系數(shù)，Vr(t)/Vi(t)是入射和發(fā)射電壓的比率。式(1)假設(shè)到待測(cè)器件的源，線纜和連接器都是匹配的，但事實(shí)上這種情況很少見(jiàn)。為了補(bǔ)償線纜和連接器的不理想，參考平面校正(基線校正)通常進(jìn)行開(kāi)路，短路，負(fù)載校準(zhǔn)。調(diào)整式(1)可以得到待測(cè)器件的阻抗和時(shí)間(或距離)的函數(shù)，所以可以使用校準(zhǔn)過(guò)的TDR做阻抗測(cè)量。

圖11展示了USB3.0帶有連接器線纜的的阻抗曲線。曲線表明了隨著TDR階躍信號(hào)在線纜中的行進(jìn)阻抗變化是時(shí)間的函數(shù)。注意軌跡兩頭的阻抗變化，那是由于連接器引起的，當(dāng)使用上升時(shí)間100ps(階躍信號(hào))測(cè)試時(shí)連接器的阻抗規(guī)定是90±7歐。TDR的上升時(shí)間非常重要，因?yàn)樽杩棺兓蚑DR階躍信號(hào)的上升時(shí)間成反比，而規(guī)范規(guī)定的USB3.0信號(hào)的上升時(shí)間是100ps，測(cè)量中匹配這個(gè)上升時(shí)間將給出信號(hào)“看到的”阻抗。

圖11 USB3.0帶有連接器線纜的差分阻抗vs時(shí)間測(cè)量

回波損耗或S11是頻域的測(cè)量和反射系數(shù)有關(guān)。歸一化(通過(guò)反射平面校準(zhǔn)基線校正)反射系數(shù)的傅里葉變換給出了回波損耗是頻率的函數(shù)。圖12給出了USB3.0線纜和連接器測(cè)量的結(jié)果。圖中的橫軸表示2GHz/div，范圍是0～20GHz，縱軸表示10dB/div?；夭〒p耗在2GHz大約是15dB,但隨著頻率的增加開(kāi)始變得越來(lái)越小。精細(xì)的空值間隔是由線纜末端的連接器引起的，較大的空值間隔是由于連接器內(nèi)部的阻抗結(jié)構(gòu)決定的。

圖12 USB3.0帶有連接器線纜的差分回波損耗

回波損耗可以參考圖11中線纜和連接器阻抗是90歐而TDR系統(tǒng)差分阻抗是100歐，由于USB3.0發(fā)射機(jī)阻抗是90歐，這個(gè)不匹配人為地減少了回波損耗。為了正確的表達(dá)回波損耗，將阻抗轉(zhuǎn)化為測(cè)試到的S11是非常必要的，轉(zhuǎn)換關(guān)系由下式給出。

(2)

轉(zhuǎn)化可以分為兩步。首先，用特征阻抗是100歐姆的測(cè)試系統(tǒng)得出的復(fù)數(shù)S參數(shù)計(jì)算出復(fù)數(shù)的負(fù)載阻抗。其次，用新的90歐姆參考阻抗計(jì)算出負(fù)載阻抗的S參數(shù)?；夭〒p耗是頻率的函數(shù)，所以可以計(jì)算出每個(gè)頻點(diǎn)的S參數(shù)。

舉個(gè)例子，用100歐姆阻抗表征的復(fù)合回波損耗S11=0.53-0.12J轉(zhuǎn)換到90歐姆的如下：

式2用來(lái)將圖12中測(cè)到的插損轉(zhuǎn)換到90歐姆差分阻抗。圖13中的兩個(gè)曲線給出了100歐姆和90歐姆特征阻抗的的回波損耗。

圖13 100歐姆(綠色虛線)和90歐姆參考(藍(lán)色實(shí)線)的回波損耗

USB3.0線纜和連接器的差分阻抗可以使用校正的TDR系統(tǒng)測(cè)量插損而得出。通過(guò)對(duì)連接到待測(cè)器件的參考平面(基線校正)運(yùn)行開(kāi)路，短路，負(fù)載進(jìn)行校正。通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)和待測(cè)器件之間的不同阻抗進(jìn)行插損補(bǔ)償。

6 結(jié)論

按照上述方法設(shè)計(jì)的耐環(huán)境USB3.0連接器，經(jīng)過(guò)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)及傳輸效果滿足用戶使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊?yuàn)^為，軍用電連接器的應(yīng)用及發(fā)展，機(jī)電元件，2007年

[2] 劉策，USB3.0接口全方位解析

[3] 解析USB3.0連接器的阻抗和插損測(cè)試，中國(guó)百科網(wǎng)