Cómo cumplir con los nuevos requisitos de fiabilidad e integridad de la señal del USB4 Gen 3

La interfaz USB4, con su velocidad máxima de transferencia de datos de 40 gigabits por segundo (Gbits/s) en dos carriles, ha supuesto una carga adicional para los diseñadores a la hora de cumplir los requisitos de integridad de la señal e interferencia electromagnética (EMI). Además, el uso ya habitual de los conectores de tipo C por parte de múltiples protocolos de datos y visualización requiere que compartan el ancho de banda disponible en sus buses mutuos. Los diseñadores también deben asegurarse de que los conectores, al igual que todos los componentes de USB4, estén certificados por múltiples organizaciones de normalización. Otros retos de diseño son la mitigación del riesgo de daños mecánicos debidos a la inserción incorrecta de los enchufes y la necesidad de adaptarse a productos finales y modelos de uso que requieren una mayor resistencia y características más avanzadas.

La especificación USB Type-C® establece los requisitos de los conectores que abordan las necesidades cambiantes de los sistemas y dispositivos, al tiempo que mantienen la compatibilidad con todas las ventajas funcionales de las formas USB existentes. En este artículo se explica la configuración y las características del conector USB Type-C y se habla de las aplicaciones para las que se utiliza. A continuación, presenta ejemplos de receptáculos de conectores USB Type-C con certificación USB4 de Amphenol ICC que admiten todas las características avanzadas descritas en la especificación, incluidas las características adicionales que reducen la EMI y mejoran la fiabilidad y la integridad mecánica del conector.

Conector USB4 Gen 3 Tipo-C

Los enchufes y receptáculos USB Type-C están especificados por el USB Implementers Forum (USB-IF) en el documento "USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0", que cubre los conectores USB4 sobre USB- Type-C y está disponible sin coste alguno en la web del USB-IF.

El conector USB-C utiliza 24 pines y proporciona suministro de energía USB (USB PD), transferencia de datos, audio y salida de video en un solo conector. Lo más destacable de los conectores USB-C es que son reversibles; es decir, la clavija puede insertarse en el receptáculo en cualquiera de las dos orientaciones, una característica muy apreciada por los usuarios que han tenido problemas con la inserción de los antiguos conectores USB-A. Esta capacidad puede verse al observar las asignaciones de señales para los enchufes y receptáculos USB-C (Figura 1).

La disposición de las clavijas centrales que se muestra en la figura 1 es la del receptáculo. Se muestran dos orientaciones del tapón: la superior es para la orientación normal y la inferior muestra el tapón girado 180˚. Independientemente de la dirección de la clavija, las señales correspondientes se adaptan al insertar la clavija.

Figura 1: Las asignaciones de señales para el conector USB-C (arriba y abajo) y el receptáculo (en el centro) vistas desde dentro de cada parte, muestran que la rotación del conector en 180˚ sigue dando lugar a la correcta coincidencia de las señales correspondientes al insertarlo. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Los grupos de señales dentro de los conectores USB-C -que se muestran resaltados en la Tabla 1, con los colores correspondientes a las señales de los pines del conector de la Figura 1- muestran la versatilidad de los conectores USB-C para su uso en diversas aplicaciones. Los carriles de señal diferencial de alta velocidad pueden soportar tasas de transferencia de hasta 40 Gbits/s y se utilizan tanto para USB4 como para los protocolos de modo alternativo y de túnel.

Tabla 1: Resumen de las señales del conector USB4 que incluye dos carriles de señal diferencial de alta velocidad, una ruta de señal diferencial USB 2 y señales de control de alimentación e interfaz. Los colores de relleno de los grupos de señales coinciden con los de las señales de los pines del conector correspondientes que se muestran en la Figura 1. (Fuente de la tabla: Art Pini)

Los protocolos de modo alternativo compatibles con USB4 son Thunderbolt, DisplayPort (DP), Mobile High-Definition Link (MHL), Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) e interfaz de multimedia de alta definición (HDMI). Pueden definirse y activarse otros protocolos de modo alternativo a través de un handshake de protocolo USB PD que utilice mensajes estructurados definidos por el proveedor (VDM) para descubrir y configurar los modos alternativos.

USB PD también permite a los dispositivos negociar el nivel de energía suministrado por la fuente. USB4 admite un nivel de potencia máximo de 100 vatios a 20 voltios a 5 amperios (A). Esta capacidad puede requerir una fuente de alimentación programable. El control de potencia y los cables activos permiten una carga rápida. Los contratos de potencia entre los dispositivos se negocian mediante la línea del canal de configuración (CC) que utiliza la codificación de marca bifásica a 300 kilobaudios, semidúplex.

Utilizar un conector común para todos estos protocolos diferentes tiene muchas ventajas, ya que abarca aplicaciones de audio, vídeo, almacenamiento de datos y comunicaciones de datos. También permite definir protocolos nuevos y emergentes a medida que se van desarrollando.

Las asignaciones de los pines del conector muestran una disposición de sentido común para maximizar la integridad de la señal. Por ejemplo, las líneas de datos de alta velocidad y USB 2 son diferenciales para minimizar la diafonía y la EMI. Además, todas las líneas de datos se colocan entre los buses de alimentación y tierra u otras líneas de señal de bajo ancho de banda para proporcionar aislamiento, y las líneas de datos de alta velocidad se colocan en lados opuestos del diseño para minimizar la diafonía entre carriles.

Características de la oferta de receptáculos USB4 de Amphenol ICC

Para ayudar a superar los retos de diseño de USB4, Amphenol ICC ha presentado cuatro receptáculos USB4 Gen 3 que superan el estándar existente. Son conectores de nueva generación que cumplen con las altas velocidades de transmisión de datos del estándar, de hasta 40 Gbits/s, y son compatibles con USB PD, con la interfaz Thunderbolt que combina la carga de energía, el USB de túnel y la transferencia de datos PCIe a través de un único conector Tipo-C. Estos conectores también admiten vídeo y audio DisplayPort con 4K de ultra alta definición (UHD) a una frecuencia de refresco de 60 Hertz (Hz).

Una característica importante de estos conectores USB4 es su capacidad para optimizar dinámicamente el ancho de banda durante la transferencia de vídeo y datos. De acuerdo con la norma, los nuevos conectores USB4 son compatibles con versiones anteriores de USB, incluyendo USB 2, 3.1 y 3.2, pero con un enchufe y una orientación de cable giratorios para una experiencia de usuario USB muy mejorada. El pequeño tamaño de los conectores y su versatilidad funcional los hacen ideales para su incorporación a las tecnologías emergentes.

El diseño mecánico favorece la potencia y la durabilidad

Los receptáculos ICC USB4 de Amphenol están diseñados para ofrecer un excelente rendimiento durante 10.000 ciclos de acoplamiento, proporcionando una alta durabilidad y un menor desgaste por las operaciones cíclicas. El uso de aleaciones metálicas de cobre de alta calidad en el diseño de las vías conductoras garantiza una resistencia de contacto de 40 miliohmios (mΩ) de baja pérdida y una capacidad de corriente ampliada de 5 A para la entrega de energía USB de hasta 100 vatios.

Los conectores utilizan una pared lateral mejorada para la placa central que maximiza el área de contacto y estabiliza el rendimiento del contacto haciendo que no se mueva (Figura 2).

Figura 2: El diseño mejorado de la pared lateral de los receptáculos USB4 de Amphenol ICC proporciona conexiones "sin meneos" con una mejor protección EMI y una mejor protección mecánica contra la inserción incorrecta del enchufe. (Fuente de la imagen: Amphenol ICC)

Las características mecánicas mejoradas incluyen una placa lateral ampliada que llega hasta la esquina de la lengüeta del receptáculo para evitar que se introduzcan enchufes que no sean del tipo C, como el micro-USB. La misma pared lateral está conectada a tierra con la placa central, lo que proporciona un apantallamiento adicional y reduce la EMI. Los hoyuelos añadidos en el escudo interior guían el tapón y mantienen la posición correcta del cuerpo del tapón durante la inserción. Todo el conjunto mecánico proporciona un rendimiento de bloqueo estable y un solapamiento máximo del área de contacto de las superficies conductoras que se acoplan, minimizando la resistencia de contacto. Un fuerte clic audible asegura la inserción completa.

La familia de productos ICC de Amphenol

Hay cuatro receptáculos USB4 Tipo-C en la oferta de productos ICC de Amphenol (Figura 3).

Figura 3: Los receptáculos USB4 Gen 3 de Amphenol ICC incluyen tres versiones de montaje superior y una versión de montaje medio. (Fuente de la imagen: Amphenol ICC)

El receptáculo de montaje superior GSB4D313302Y1HR con montaje de orificio pasante en ángulo recto está actualmente certificado por la USB-IF y recomendado por Intel para el uso de Thunderbolt 4. Su carcasa exterior tiene una sección transversal uniforme de delante a atrás con una altura central de 1,58 milímetros (mm) (distancia desde el plano de montaje a la lengüeta del conector).

Los modelos 12402056E512A y 12402073E512A también son receptáculos de montaje superior con montaje de agujero pasante, pero tienen una carcasa exterior rectangular con una altura central de 1,57 mm. La certificación de las normas de estos receptáculos está pendiente (en el momento de escribir este artículo).

El 12402075E512A es un receptáculo de montaje medio con una altura central de sólo 0,47 mm para una configuración más compacta. También utiliza el montaje de agujeros pasantes. La certificación de este receptáculo también está pendiente en este momento.

Todos estos receptáculos están preparados para funcionar en un rango de temperaturas de -40°C a +85°C, lo que los convierte en una buena opción para aplicaciones en vehículos.

Aplicaciones del conector USB4

Estos receptáculos se utilizarán en el almacenamiento, el infoentretenimiento de los automóviles, el entretenimiento doméstico, la conexión, las interfaces periféricas (monitor/pantalla, proyector) y otras aplicaciones de consumo como los ordenadores portátiles y las tabletas. Su pequeño tamaño, la compatibilidad con múltiples modos y el control de la potencia proporcionan una enorme versatilidad.

Conclusión:

El conector USB Tipo-C, con su capacidad para manejar múltiples protocolos de alta velocidad y niveles de potencia, encontrará más aplicaciones a medida que los usuarios busquen tasas de transferencia de datos más rápidas, capacidad de carga rápida y simplicidad del conector. Con USB4, los usuarios obtienen modos alternativos y soporte de túnel. Estas mejoras garantizarán una mayor adopción de USB4 en entornos y aplicaciones más variados y potencialmente más duros. Para ayudar a los diseñadores a tener en cuenta esto, los receptáculos USB4 de Amphenol ICC están diseñados para superar la especificación básica de USB-IF, mitigando los efectos de la EMI y asegurando buenas conexiones durante muchos ciclos y amplios rangos de temperatura.