芯耀
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在USB標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史上，USB4可能是USB自從問世以來，重要性僅次于Type-C 接頭的發(fā)展里程碑。由于USB4 整合了Thunderbolt 3協(xié)定，不僅介面頻寬的極限值一口氣拉高到40Gbit/s，支援其他協(xié)定的方法也更優(yōu)雅、更有效率，為USB介面開拓了更多潛在應(yīng)用市場。
USB4性能全方位提升 性價比遠(yuǎn)超Thunderbolt
威鋒電子新市場開發(fā)部總監(jiān)Terrance Shih(圖1)指出，提到USB4，一般都會想到更快的傳輸速率，但與先前的USB版本相比，USB4不只是速度更快而已，在傳輸機(jī)制方面，也有很明顯的改良。
圖1 威鋒電子新市場開發(fā)部總監(jiān)Terrance Shih指出，由于傳輸機(jī)制改良，USB4的整體性能有了十分明顯的突破
在USB3.x介面，藉由Alternative Mode，USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的訊號格式，進(jìn)而讓USB介面可以當(dāng)作影音傳輸介面來使用。但Alternative Mode會占用一條專屬通道，如果用USB3.x介面同時連接Displayport跟其他資料儲存裝置，即便Displayport沒在使用，分配給Displayport的專屬通道也不會釋放給其他資料傳輸應(yīng)用，降低資源運用的效率。
針對這個問題，USB4採用穿隧(Tunneling)協(xié)議的作法。例如在USB、Displayport跟PCI Express三種協(xié)定同時存在的情況下，USB4的主控端(Host)會把這三種不同協(xié)定的封包匯聚起來，在一條共通的通道上傳輸；到了裝置端再把不同協(xié)定的封包分離，配送到對應(yīng)的周邊設(shè)備。
由于傳輸機(jī)制的改良，USB4介面的資源使用變得更有效率，不同協(xié)定的資料在傳輸時彼此拖累的情況大有改善，讓USB4變成一個更理想的多用途介面。這對于筆記型電腦擴(kuò)充基座(Docking)這類需要連接多樣化周邊的應(yīng)用來說，是相當(dāng)關(guān)鍵的。
而且，雖然USB4跟Thunderbolt4使用一樣的協(xié)定，具有相同的傳輸效能，但因為拿掉了vPro這類高階功能，驗證跟取得Logo授權(quán)的成本也低很多，因此，支援USB4的產(chǎn)品會比Thunderbolt4要便宜得多，有利于市場推廣跟普及。
測試工作繁重 自動化將成關(guān)鍵
在USB4的相容性測試跟合規(guī)測試方面，由于頻寬增加，又強化了對多種協(xié)定的支援性，因此USB4產(chǎn)品的設(shè)計驗證跟測試工作，變得更為複雜。
是德(Keysights)科技技術(shù)專家邱柏勝(圖2)指出，由于頻寬增加，因此USB4對電氣特性的要求，變得更為嚴(yán)謹(jǐn)。因此，工程師需要更精準(zhǔn)的抖動(Jitter)跟雜訊分析工具，測試設(shè)備也必須支援更先進(jìn)的等化(Equalization) 與數(shù)學(xué)運算功能。而在協(xié)定分析方面，因為USB4是一個主打多協(xié)定融合的介面，所以工程師所使用的工具除了要能涵蓋USB4，還必須支援Displayport 等其他協(xié)定。
圖2 是德科技技術(shù)專家邱柏勝表示，為降低USB4測試的人力作業(yè)負(fù)擔(dān)，測試工具的自動化將是必然的趨勢
但除了儀器本身的訊號擷取跟協(xié)定分析功能外，邱柏勝認(rèn)為，自動化測試能力，將是儀器廠商能否真正協(xié)助USB4開發(fā)者解決問題的關(guān)鍵所在。USB4的測試規(guī)范十分嚴(yán)謹(jǐn)，又要支援多種協(xié)定，意味著工程師需要執(zhí)行的測試項目將大幅增加，且其中有些測試項目需要相當(dāng)長的時間才能完成。因此，更強大的自動化功能，將是USB4測試方案中不可或缺的一環(huán)。
確保介面性能表現(xiàn) USB-IF要求線纜品質(zhì)
作為承載訊號的介質(zhì)，線纜的品質(zhì)是決定介面真實性能表現(xiàn)的重要因素，尤其是對于像USB4 這種高速界面來說，線纜的好壞，更會對介面的傳輸性能造成極大影響。為確保線纜的品質(zhì)合乎規(guī)范，USB-IF對USB4的線纜設(shè)計，也提出了對應(yīng)的規(guī)范與測試要求。
優(yōu)力國際安全認(rèn)證(UL)專案工程師葉建緯(圖3)指出，USB-IF 已經(jīng)發(fā)布USB4 Gen 3線纜以及連接器標(biāo)準(zhǔn)及需求，規(guī)定線纜跟連接器必須支援15GHz頻寬，測試時的頻寬則為20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相關(guān)規(guī)格，就目前可以掌握的消息，對裸線的設(shè)計沒有太大的變化。
圖3 優(yōu)力國際安全認(rèn)證專案工程師葉建緯表示，為確保USB4的性能表現(xiàn)，USB-IF對線纜有明確的規(guī)格要求跟測試規(guī)范
但因為USB4必須搭配Type-C 連接器，因此USB4線纜設(shè)計還是須符合Type-C的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，如圖4所示。此外，除了訊號線以外，USB4線纜還須包含其他功能性芯線，如VBUS VCONM SBU等。針對這些芯線的設(shè)計規(guī)格，USB-IF均有對應(yīng)的規(guī)定，且USB-IF規(guī)定線纜結(jié)構(gòu)直徑不可超過4.8mm+/- 0.2，所以使用長度上必定會有所限制。
圖4 Type-C纜線結(jié)構(gòu)設(shè)計要求
葉建緯指出，整體線徑的規(guī)范是使用便利性跟效能、成本妥協(xié)后的結(jié)果。線徑變粗固然可以讓線纜具有更好的性能，但同時也會讓線纜變得難以彎折，對使用者造成許多不便，更會增加生產(chǎn)成本。
基本上，對于USB4纜線這類電纜而言，同軸線的設(shè)計及製程，會決定線纜特性及品質(zhì)的好壞。成纜、編織以及外被押出，對于同軸線來說都是損耗，所以在各製程的機(jī)臺選擇、參數(shù)設(shè)計及製程能力都需加以驗證及設(shè)計。
加工方式也會直接或間接的影響同軸線的生產(chǎn)。大多數(shù)加工廠使用光學(xué)鏡頭對焦及雷射切割，因此芯線本身的顏色，也會是影響製程穩(wěn)定性的主要因素之一。遮蔽材料的包覆也會影響加工的便利性，加工時導(dǎo)體及絕緣長度，則會直接影響線纜的所有特性。
USB PD3.1配套還需醞釀
除了頻寬跟協(xié)定的改良外，更大的功率傳輸能力，也是USB介面的重要發(fā)展方向。在USB進(jìn)入4.0時代之后，專門規(guī)范USB 供電能力的USB PD也進(jìn)入了3.1 時代，將功率傳輸?shù)臉O限提高到240W。
偉詮電子資深處長羅汶光(圖5)指出，USB PD3.1規(guī)范最重要的變動，在于增加了EPR(Extended Power Range)跟AVS(Adjustable Voltage Supply)兩個機(jī)制。EPR 讓USB PD的供電電壓可以提高到48V，進(jìn)而實現(xiàn)240W供電能力；AVS則是考量到電壓變化范圍加大，既有PPS模式?jīng)]有規(guī)范到20~48V這個區(qū)間，所做出的電壓調(diào)節(jié)補充規(guī)范。
圖5 偉詮電子資深處長羅汶光指出，雖然USB PD3.1將供電能力的上限提高到240W，但受到電路拓?fù)?/a>的限制，120W以下的應(yīng)用產(chǎn)品會發(fā)展得比較快
但羅汶光也指出，雖然PD3.1 將供電能力的極限提高到240W，但因為是透過將供電電壓提高到48V來實現(xiàn)，所以在充電器設(shè)計、受電端的安全防護(hù)方面，都需要做好對應(yīng)的配套。
在充電器設(shè)計方面，目前最大的挑戰(zhàn)在AC/DC電路拓?fù)涞倪x擇。目前已經(jīng)很成熟的QR、ACF拓?fù)?，?8V條件下的效率表現(xiàn)不是很理想，因此業(yè)界正在探索使用混和式拓?fù)涞目赡苄?，讓充電器的AC/DC電路在低壓跟高壓工作條件下，都能有良好的效率表現(xiàn)。
在受電裝置的安全性方面，由于電壓提高到48V，所以在Type-C接頭被拔出受電裝置時，可能會產(chǎn)生電弧火花。這會帶來相當(dāng)大的安全疑慮，故受電裝置的製造商，例如NB廠商，必須導(dǎo)入對應(yīng)的保護(hù)機(jī)制，才能降低意外事故發(fā)生的風(fēng)險。
