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高速连接器质量检验重点!你知多少?

来源:东莞元太电业有限公司发布时间:2018.10.17 17:17:23 关注:479

在通讯产业蓬勃发展之下,各式电子产品持续追求更大量且稳定的传输质量,电子线材数据传输的及时性与多元化应用需求也促使高速讯号传输技术的发展。为了达到提升讯号传递速度,除改变讯号编码方式外,降低讯号位准(signal level)亦或是提供全双功的传输模式都是改良的方式。 高速连接器质量检验重点!你知多少? 同时,各组件或装置之间对于减少讯号衰减与失真以及避免噪声干扰的要求大幅提升,因此,作为沟通桥梁的连接器也非常重要,其传输速度对于传输讯号质量与效能的影响也日趋受到重视。
USB数据传输从早期USB 1.0的最大传输速度为12 Mbps,历经USB 2.0的480 Mbps、USB 3.1 Gen 1的5 Gbps,一路演进至USB 3.1 Gen 2,不但传输速度一口气提高至10 Gbps,其通讯模式也从半双功提升至全双功,以满足日益增加的高速传输需求。
 
在外观上,近年来在智能型手机的带动下,USB接口从应用广泛的标准型A、B Type、Mini系列,再到Micro系列产品,以及最近很火红的USB Type-C,其外观尺寸已缩小6倍之多,消费性电子产品朝着轻薄化的发展趋势。连接器产业未来势必朝向轻薄短小、且具有快速传输效能的方向发展。
百佳泰深圳实验室日前获得USB协会(USB-IF)授权,成为中国唯一官方授权USB线缆与连接器实验室,提供USB线缆与连接器的相符性测试与技术咨询。目前火红的USB 3.0及USB Type-C线缆与连接器开发过程有许多重点项目,我们将厂商容易遇到的困扰与问题做分析,提供相对应的质量检测重点,期望协助厂商在产品开发过程中能更顺利更有效率。 传输效能大量提升 量测重点更加谨慎 由于早期低速连接器并不需要提供大量的讯号传递,对于连接器的电气性能最多只要求直流电性导通与否、机械性能为测试重点,例如插拔力、插拔寿命、端子保持力及接触电阻测试等,因为这些试验都会对机械与导通性能造成影响。进入2000年之后,USB及IEEE 1394相继问世,宣告连接器进入另一个时代,连接器的目的从原本只要求电流是否导通到大量讯号的传递,讯号完整度变成了量测上的重点。未来透过对于Impedance(特性阻抗)、Propagation Delay(传输延迟)、Propagation Skew(传输时滞)、Attenuation(衰减)、Crosstalk(串音)等方面的测试项目便可验证讯号的完整性。 高频讯号测试重点一:串音量测(Crosstalk) 随着传输数据的大量化,带动着HDMI、DisplayPort及USB 3.1 Type-C等高频连接器相继问世,连接器的传输速度也从Mbps等级提升到Gbps等级。当讯号速度持续加快时,如何降低噪声干扰成了重要课题,因此单线传输架构逐渐转换成双绞线方式(Shielded Twisted-Paired),甚至以同轴线型态(Coaxial)组成,藉以降低本身噪声的产生以及提升抵抗外界干扰的能力;但是因为多条或多对讯号同时高速传输的影响,串音程度也逐渐增加,因此各种串音现象(Crosstalk)的产生则必须要被分析探讨。
所谓串音(Crosstalk)是指两条讯号之间辐射讯号的耦合现象。这是因为讯号对之间的距离邻近,辐射讯号透过彼此间的杂散电感和杂散电容相互耦合而互相产生干扰,电容性耦合会引发耦合电流,而电感性耦合则引发耦合电压;以现实生活来举例,家用电话在通话时,偶尔会因串音干扰,而听到第三者的声音。一般说来高频讯号在相邻的讯号线做传输时,很难避免串音干扰的产生,所以需透过串音量测来了解串音干扰是否控制在可容许的范围之内。串音又可分为:近端串音(Near End Cross Talk: NEXT)及远程串音(Far End Cross Talk: FEXT)两种,目前Type-C拥有4对讯号对,而DisplayPort因多包含控制用的AUX channel,共拥有5对讯号对,两个产业(大陆用法的话应该要改成行业)标准协会都非常重视串音参数的量测;亦将串音测试纳入验证项目之一。 高频讯号测试重点二:信号损失量测(Loss) 伴随产品小型化的发展趋势,配合连接器所使用的电缆线组中轻量且可绕性佳的线材需求大增,芯线线径势必越来越细。目前HDMI线材约24~30 AWG,USB 3.1则为28~34 AWG,AWG为美国线规,是一种区分导线直径的标准,数值愈大则线径愈小,导体愈小,在在线传送的高频讯号将受导体本身特性造成讯号功率的损失也会愈大,各产业标准协会通常也会在规格上设定可接受的频率损失参考标准。
损失(Loss)是指讯号在传输线中的衰减程度,损失种类可分为:插入损失(Insertion Loss)及反射损失(Return Loss)。理想状态下讯号的传输是没有衰减;但实际上受铜材料特性影响传输距离越长,讯号损失越多(即线组越大损耗越大),插入损失随着讯号的工作频率越高,所产生的讯号损耗也越多,虽然这种导体损耗对连接器本身影响不大,但对电缆线组而言却影响甚深。
反射损失的产生,主要发生在连接器本身或是配对的接面上,因为连接器本身形状与特性很难形成所谓『传输线结构』,同时电缆线与连接器接合制程中的串接瑕疵也会造成讯号大量的反射损失。为了有效掌控传输线的损失不会影响质量,插入损失(Insertion Loss)及反射损失(Return Loss)的量测是未来验证高频连接器不可缺少的项目。
线材的损失测试需要靠仪器来完成。一般说来量测线材损失的设备包含了Time domain 及Frequency domain两种测试设备。 以USB为例,在USB 3.1 认证测试上要求使用时域反射仪(Time Domain Reflectometry, TDR)及网络分析仪(Network Analyzer, NA),两台设备分别对不同参数进行量测。传输速度的提升,对于量测设备有相当大的挑战,完整量测设备的建制需要随着技术的变革而更新,成本也逐渐提升,如何建制有效的测试环境对厂商来说也是一个非常大的负担。
以USB 3.1 Type-C认证为例,能够用来验证号损失的设备商各有不同的操作方向,然一般而言,设备厂商目前所提出的MOI (Method of Implementation)都是使用单一机台来完成电缆线组测试项目。也就是在单一机台上执行时域及频域的测试。在Tektronix的TDR上,TDR可将量测到的时域讯号透过IConnect software做快速傅立叶变换(Fast-Fourier Transform)(注一),转化成不同频域下的谐波讯号(sin wave)。另外,Keysight的ENA则是透过option TDR功能,将量测到的频域讯号透过逆傅立叶变换(Inverse Fourier Transform),转化成时域讯号。再透过软件的辅助转换,让测试人员可以同时量测到频域与时域讯号,快速的完成所需的量测项目之外,也大幅降低公司成本。也可以简化工程人员分析的时间。
 
图4 时域与频域讯号关系图
轻薄短小、满足大量数据传输需求,是未来连接器发展的必然趋势,连接器产业已摆脱机械加工的传统模式朝向微波组件与高频特性发展。为能保持高度竞争力与产出优质产品,从线缆设计到量测与结果分析能力已逐渐造成产业发展的分水岭,如何提升各项能力朝板对板(board to board)之高单价产品迈进会将是连接器厂商向上提升的关键技术,各大线缆联接器厂商纷纷投入大量的研究人力,并且重视产品的验证测试来建立自有产品的质量与知名度。

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