剖析線纜與連接器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 掌握認(rèn)證測試要點(diǎn)

有鑒于線纜與連接器會因?yàn)楦哳l信號、機(jī)械特性、電氣性能以及環(huán)境變化等因素影響其性能，開發(fā)商需一套完整的測試認(rèn)證計(jì)劃與專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的協(xié)助與咨詢，才能確保產(chǎn)品符合質(zhì)量條件、完美展現(xiàn)功能需求。在此篇認(rèn)證技術(shù)文章中，百佳泰專家將深入淺出介紹不同規(guī)格的USB在認(rèn)證上的重點(diǎn)，并針對SAS 4.0、PCIe最新規(guī)范接口的OCuLink、及光纖線纜AOC(Active Optical Cable)等不同接口的產(chǎn)品，簡單扼要解釋其特點(diǎn)。此外，我們也會對電氣測試(Electrical Test)、機(jī)械測試(Mechanical Test)、及環(huán)境測試(Environmental Test)所需要的儀器和測試內(nèi)容做一些基本的介紹。

USB 2.0 3.0認(rèn)證測試介紹

依照USB協(xié)會(USB-IF)的規(guī)范，USB 2.0的測試流程，分為八種測試類別(group)。根據(jù)線纜與連接器的不同產(chǎn)品性質(zhì)做為區(qū)分，依序接受電氣性能、機(jī)械特性、及環(huán)境變化的縝密測試。而電氣測試、機(jī)械測試、及環(huán)境測試又各自包含了許多不同的子測項(xiàng)。因此，受測產(chǎn)品會接受從數(shù)十小時(shí)到長達(dá)數(shù)百小時(shí)不等的測試。針對系統(tǒng)業(yè)者來說， USB 2.0連接器得接受數(shù)百小時(shí)的環(huán)境測試，內(nèi)容包含溫度壽命試驗(yàn)、混合氣體腐蝕試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)、及濕度試驗(yàn)。至于USB 2.0線纜(Cable assembly)，因?yàn)椴恍璀h(huán)境部份的測試，因此整體測試時(shí)間會相對地較短。

USB 3.0，又號稱為Super Speed USB，速度最高能支持5Gbps，因此測試項(xiàng)目較多。至于USB 3.0的線纜不用接受環(huán)境測試，所以認(rèn)證測試時(shí)間上相對來說不會那么久。在認(rèn)證規(guī)范上，并不是所有的兩端有連接器配備的線纜就可以稱作為USB線纜，USB協(xié)會對此有嚴(yán)格的規(guī)定，唯有USB協(xié)會制定的連接器樣式才能被視為USB 連接器。也唯有USB協(xié)會認(rèn)可的線纜類別才可以送測取得認(rèn)證及Test ID(TID)。不過如果廠商的產(chǎn)品是屬于標(biāo)準(zhǔn)外規(guī)格的話，百佳泰的客制化服務(wù)團(tuán)隊(duì)也將協(xié)助客戶與協(xié)會進(jìn)行討論與爭取能夠得到協(xié)會允許進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證。

根據(jù)協(xié)會規(guī)定，任何一個(gè)類別的測項(xiàng)失敗的話，該類別的全部測項(xiàng)得重新測試，這不僅有出貨時(shí)間與金錢成本上的壓力，要如何發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)，更是廠商最在意的事。因此，擁有一個(gè)值得信賴的驗(yàn)證測試伙伴是一件非常重要的事。

新規(guī)線纜總覽

● USB 3.1

USB 3.1被稱為USB 3.0的次世代，擁有高達(dá)10Gbps的傳輸速度，并能向下兼容于2.0與3.0。因?yàn)槠涓咚訇P(guān)系，在連接器鐵殼上正反兩面共加了四個(gè)grounding spring，來抑制EMI與RFI的問題。表一為USB 3.0 與3.1線纜的規(guī)格需求比較

表一：USB 3.0裸線纜與USB 3.1裸線纜比較

從表一可以看到USB 3.1裸線纜和USB 3.0裸線纜在線材特性阻抗試驗(yàn)(Characteristic Impedance Test)和傳遞衰減試驗(yàn)(Insertion Loss Test)測項(xiàng)上有明顯的差別，顯示為更為嚴(yán)格。而不僅是在線纜部分，USB 3.1相關(guān)的線纜配件、和連接器的測試規(guī)范都較為嚴(yán)謹(jǐn)。

● USB Type C

有鑒于Apple的Lightning技術(shù)正反兩面都可以使用，USB協(xié)會也正在開發(fā)Type C，尺寸接近于USB 2.0 Micro B，且也計(jì)劃提供高瓦特?cái)?shù)供電傳輸功能(power delivery)。Type C Receptacle分為Full Featured版本和USB 2.0版本，在Full Featured版為單面12 pin、雙面24 pin的設(shè)計(jì)。2.0版本則將Super speed pairs移除 ，支持正反面連接用。在Type C plug部份只有Full Featured版本，藉由不同的裸線來區(qū)別Full Featured 2.0。此外，Type C被視為未來手持裝置的充電接口，預(yù)計(jì)到2016年時(shí)，包含現(xiàn)在正使用Lightning接口的Apple采用Type C接口的機(jī)會也大大的增加，尤其歐盟正式宣布要統(tǒng)一手機(jī)的充電接口，其推波助瀾之下，將會增加Type C的普及率。同時(shí)，相關(guān)廠商也要注意雖然協(xié)會沒有針對轉(zhuǎn)接頭做任何認(rèn)證的要求及規(guī)范，但針對Type C和USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)Type A的轉(zhuǎn)接頭、Type C和USB 2.0 Micro B的轉(zhuǎn)接頭，USB協(xié)會后續(xù)勢必將強(qiáng)制規(guī)定要通過認(rèn)證。

圖一：左邊為Type C至USB 2.0 Micro B轉(zhuǎn)接頭;右邊為Type C至USB 3.1 Standard A轉(zhuǎn)接頭

● SAS 4.0

現(xiàn)階段的SAS支持12Gb/s，預(yù)計(jì)到2016年會變成24Gb/s，而現(xiàn)有的界面將會改版，會有全新的設(shè)計(jì)。因?yàn)閹捈哟蟮年P(guān)系，其差分對(Differential Pair)也會加多，從原本的四對變成八對。除了高頻特性改變之外，原本的機(jī)構(gòu)特性、環(huán)境特性還是會和SAS 3.0一樣。協(xié)會預(yù)計(jì)2016年前會正式公布詳細(xì)規(guī)格。

● OCuLink

待協(xié)會定義完OCuLink的規(guī)格之后，期許OCuLink能夠支持PCIe Gen 3的8Gb/s、PCIe Gen 4的16Gb/s，且能同時(shí)支持光纖版本和銅線版本，并能運(yùn)用在內(nèi)部以及外部用途上。協(xié)會希望未來PCIe SSD在內(nèi)部運(yùn)作時(shí)，能透過OCuLink連接Controller Card和系統(tǒng)。

● Active Optical Cable (AOC)

號稱下一代線纜/連接器的AOC，較銅線輕薄，因?yàn)槠涔饫w的特性可以克服銅線的長度限制。AOC并不會因?yàn)榫€纜長度的增加而影響其性能表現(xiàn)(performance)，例如：200米的HDMI光纖線纜跟1米的HDMI光纖線纜，其性能表現(xiàn)依舊是一樣的。光纖所費(fèi)比銅線高昂，但是并不是貴在線纜的本身，而是兩端的光電組件和IC。

表二：五種不同高速接口銅線與光纖線纜傳輸長度比較

由下表三的眼圖(Eye Diagram)分析可以看到，銅線會隨著線纜長度的增加，出現(xiàn)信號傳輸衰竭的現(xiàn)象;而光纖線纜不管是20m或是100m，其性能表現(xiàn)并不會受到影響。然而，即使光纖線纜能夠支持長米數(shù)應(yīng)用，協(xié)會也看好未來趨勢將會取代長米數(shù)的銅線線纜外部運(yùn)用，不過因?yàn)楣饫w現(xiàn)有技術(shù)上較不能搭配在系統(tǒng)內(nèi)部的折彎與撓曲等配置，所以尚無法在內(nèi)部線上做廣泛的運(yùn)用，所以銅線線纜并不會被完全取代，將與之一起并存在市場之上。

表三：銅線線纜與光纖線纜的眼圖比較

我們以環(huán)境測試作為舉例：一項(xiàng)產(chǎn)品的效能、穩(wěn)定度與整體質(zhì)量可能受到諸多環(huán)境因素的影響，像是溫度、濕度、高度、機(jī)械沖擊與震動等等，對許多制造廠商而言，要掌握產(chǎn)品在不同情境下的真實(shí)表現(xiàn)與容限更是非常棘手的難題。因此，廠商需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備儀器，能夠完整重現(xiàn)這些產(chǎn)品在真實(shí)世界中可能遭遇的種種狀況，并點(diǎn)出問題風(fēng)險(xiǎn)所在。

而上述的五個(gè)重點(diǎn)測試項(xiàng)目中，“情境模擬測試”是屬于綜合其他三種項(xiàng)目的混合型測試?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境總是復(fù)雜且殘酷的，為了要確保廠商的產(chǎn)品質(zhì)量貼近于真實(shí)世界，我們設(shè)計(jì)了一些情境測試，模擬真實(shí)的環(huán)境狀況，進(jìn)行電氣、機(jī)械和環(huán)境測試。如圖二所示，上山下海的汽車比一般的消費(fèi)型電子產(chǎn)品更會接觸到不同的極端使用環(huán)境，因此車機(jī)里面的線纜需要接受一系列包含：溫度、濕度、高度、震動、機(jī)械沖擊…等較為嚴(yán)苛的試驗(yàn)，才能忠實(shí)呈現(xiàn)在不同使用情境之下時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量是否能維持效能表現(xiàn)，以免日后產(chǎn)品產(chǎn)生問題會有更高的回收成本與客訴問題。

圖二：情境模擬測試─模擬汽車在真實(shí)情境的使用狀況

不同線纜與連接器有不同的特性，需要完整的高階測試儀器與環(huán)境，諸如端子強(qiáng)度測試儀、線纜搖擺測試器、震蕩測試儀、X光測試儀、焊錫性測試儀器、溫變沖擊試驗(yàn)機(jī)、耐壓測試儀、蒸氣老化與鹽水噴灑測試儀等，才能提升測試效率并完整驗(yàn)證產(chǎn)品的質(zhì)量。