剖析線纜與連接器技術標準 掌握認證測試要點

有鑑於線纜與連接器會因為高頻訊號、機械特性、電氣性能以及環境變化等因素影響其性能,因此開發商需一套完整的測試認證計畫與專業實驗室的協助與諮詢,才能確保產品符合品質條件、完美展現功能需求。在此篇認證技術文章中,百佳泰專家將深入淺出介紹不同規格的USB在認證上的重點,並針對SAS 4.0、PCIe最新規範介面的OCuLink、及光纖線纜AOC(Active Optical Cable),等不同介面的產品,簡單扼要解釋其特點。此外,我們也會對電氣測試(Electrical Test)、機械測試(Mechanical Test)、及環境測試(Environmental Test)所需要的儀器和測試內容做一些基本的介紹。

USB 2.0 & 3.0認證測試介紹

依照USB協會(USB-IF)的規範,USB 2.0的測試流程,分為八種測試類別(group)。根據線纜與連接器的不同產品性質做為區分,依序接受電氣性能、機械特性、及環境變化的縝密測試。而電氣測試、機械測試、及環境測試又各自包含了許多不同的子測項。因此,受測產品會接受從數十小時到長達數百小時不等的測試。針對系統業者來說, USB 2.0連接器得接受數百小時的環境測試,內容包含溫度壽命試驗、混合氣體腐蝕試驗、熱衝擊試驗、及溼度試驗。至於USB 2.0線纜(Cable assembly),因為不需環境部份的測試,因此整體測試時間會相對地較短。

USB 3.0,又號稱為Super Speed USB,速度最高能支援5Gbps,因此測試項目較多。至於USB 3.0的線纜不用接受環境測試,所以認證測試時間上相對來說不會那麼久。在認證規範上,並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協會對此有嚴格的規定,唯有USB協會制定的連接器樣式才能被視為USB 連接器。也唯有USB協會認可的線纜類別才可以送測取得認證及Test ID(TID)。不過如果廠商的產品是屬於標準外規格的話,百佳泰的客製化服務團隊也將協助客戶與協會進行討論與爭取能夠得到協會允許進行產品認證。

根據協會規定,任何一個類別的測項失敗的話,該類別的全部測項得重新測試,這不僅有出貨時間與金錢成本上的壓力,要如何發現問題的癥結,更是廠商最在意的事。因此,擁有一個值得信賴的驗證測試夥伴是一件非常重要的事。

新規線纜總覽

  •  USB 3.1

USB 3.1被稱為USB 3.0的次世代,擁有高達10Gbps的傳輸速度,並能向下相容於2.0與3.0。因為其高速關係,在連接器鐵殼上正反兩面共加了四個grounding spring,來抑制EMI與RFI的問題。

表一:USB 3.0裸線纜與USB 3.1裸線纜比較

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(Characteristic Impedance Test)和傳遞衰減試驗(Insertion Loss Test)測項上有明顯的差別,顯示為更為嚴格。而不僅是在線纜部分,USB 3.1相關的線纜配件、和連接器的測試規範都較為嚴謹。

  •  USB Type C

有鑑於Apple的Lightning技術正反兩面都可以使用,USB協會也正在開發Type C,尺寸接近於USB 2.0 Micro B,且也計畫提供高瓦特數供電傳輸功能(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的設計。2.0版本則將Super speed pairs移除 ,支援正反面連接用。在Type C plug部份只有Full Featured版本,藉由不同的裸線來區別Full Featured & 2.0。此外,Type C被視為未來手持裝置的充電介面,預計到2016年時,包含現在正使用Lightning介面的Apple採用Type C介面的機會也大大的增加,尤其歐盟正式宣布要統一手機的充電介面,其推波助瀾之下,將會增加Type C的普及率。同時,相關廠商也要注意雖然協會沒有針對轉接頭做任何認證的要求及規範,但針對Type C和USB 3.1標準Type A的轉接頭、Type C和USB 2.0 Micro B的轉接頭,USB協會後續勢必將強制規定要通過認證。

圖一:左邊為Type C至USB 2.0 Micro B轉接頭;右邊為Type C至USB 3.1 Standard A轉接頭

圖一 - 左邊為Type C至USB 2.0 Micro B轉接頭;右邊為Type C至USB 3.1 Standard A轉接頭

  •  SAS 4.0

現階段的SAS支援12Gb/s,預計到2016年會變成24Gb/s,而現有的介面將會改版,會有全新的設計。因為頻寬加大的關係,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,原本的機構特性、環境特性還是會和SAS 3.0一樣。協會預計2016年前會正式公布詳細規格。

  •  OCuLink

待協會定義完OCuLink的規格之後,期許OCuLink能夠支援PCIe Gen 3的8Gb/s、PCIe Gen 4的16Gb/s,且能同時支援光纖版本和銅線版本,並能運用在內部以及外部用途上。協會希望未來PCIe SSD在內部運作時,能透過OCuLink連接Controller Card和系統。

  •  Active Optical Cable (AOC)

號稱下一代線纜/連接器的AOC,較銅線輕薄,因為其光纖的特性可以克服銅線的長度限制。AOC並不會因為線纜長度的增加而影響其性能表現(performance),例如:200米的HDMI光纖線纜跟1米的HDMI光纖線纜,其性能表現依舊是一樣的。光纖所費比銅線高昂,但是並不是貴在線纜的本身,而是兩端的光電元件和IC。

表二:五種不同高速介面銅線與光纖線纜傳輸長度比較

AOC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,出現訊號傳輸衰竭的現象;而光纖線纜不管是20m或是100m,其性能表現並不會受到影響。然而,即使光纖線纜能夠支援長米數應用,協會也看好未來趨勢將會取代長米數的銅線線纜外部運用,不過因為光纖現有技術上較不能搭配在系統內部的折彎與撓曲等配置,所以尚無法在內部線上做廣泛的運用,所以銅線線纜並不會被完全取代,將與之一起並存在市場之上。

表三:銅線線纜與光纖線纜的眼圖比較

表三:銅線線纜與光纖線纜的眼圖比較

線纜與連接器驗證概念

在線纜與連接器品質驗證測試上,我們專業測試團隊建議五個重點項目:

  • 電氣測試 Electrical Test (含高頻測試 High Frequency)
  • 機械測試 Mechanical Test
  • 環境測試 Environmental Test
  • 認證與相容性測試 Compliance Test Service
  • 情境模擬測試 Scenario Test Service

我們以環境測試作為舉例:一項產品的效能、穩定度與整體品質可能受到諸多環境因素的影響,像是溫度、濕度、高度、機械衝擊與震動等等,對許多製造廠商而言,要掌握產品在不同情境下的真實表現與容限更是非常棘手的難題。因此,廠商需要專業的實驗室及設備儀器,能夠完整重現這些產品在真實世界中可能遭遇的種種狀況,並點出問題風險所在。

而上述的五個重點測試項目中,「情境模擬測試」是屬於綜合其他三種項目的混合型測試。現實環境總是複雜且殘酷的,為了要確保廠商的產品品質貼近於真實世界,我們設計了一些情境測試,模擬真實的環境狀況,進行電氣、機械和環境測試。如圖二所示,上山下海的汽車比一般的消費型電子產品更會接觸到不同的極端使用環境,因此車機裡面的線纜需要接受一系列包含:溫度、濕度、高度、震動、機械衝擊…等較為嚴苛的試驗,才能忠實呈現在不同使用情境之下時,產品的品質是否能維持效能表現,以免日後產品產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─模擬汽車在真實情境的使用狀況

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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境,諸如端子強度測試儀、線纜搖擺測試器、震盪測試儀、X光測試儀、焊錫性測試儀器、溫變衝擊試驗機、耐壓測試儀、蒸氣老化與鹽水噴灑測試儀等,才能提升測試效率並完整驗證產品的品質。

表四:應用在線纜與連接器的測試儀器一覽表

測試儀器一覽表

百佳泰的線纜與連接器專業測試中心為USB協會(USB-IF)正式授權的「USB線纜與連接器測試實驗室(Cable Assemblies and Connector Labs)」,能提供USB 2.0與USB 3.0、3.1規格版本的線纜與連接器完整相符性認證測試,百佳泰也是HDMI協會認可的HDMI線纜專屬測試實驗室。除了認證測試之外,亦能針對各式不同技術規格的線纜與連接器如HDMI連接器,以及DisplayPort、MHL、SATA等,提供包括高頻訊號、機械特性、電氣性能、及環境變化等類別的精密測試與驗證。更多相關資訊,歡迎洽詢百佳泰service@allion.com,或線上瀏覽我們的專業線纜與連接器測試服務內容http://www.allion.com.tw/cabcon.html