作者：Art Pini，來源：得捷電子DigiKey

USB4 接口的兩個通道的最大數(shù)據(jù)傳輸率為每秒 40 吉比特 (Gbits/s)，這給設(shè)計者帶來了額外的壓力，因為難以滿足信號完整性和電磁干擾 (EMI) 要求。此外，現(xiàn)在有多種數(shù)據(jù)和顯示協(xié)議普遍使用 Type-C 連接器，這要求它們在其共同的總線上共用可用的帶寬。同時設(shè)計者還需要確保連接器和所有的 USB4 組件一樣，獲得多個標準組織的認證。其他設(shè)計挑戰(zhàn)包括減輕由于錯誤插入插頭而造成的機械損壞的風(fēng)險，以及需要適應(yīng)更堅固、更先進功能的終端產(chǎn)品和使用模式。

USB Type-C?規(guī)范確立了新的連接器要求，即在保持與現(xiàn)有 USB 形式的所有功能優(yōu)勢兼容性外，同時滿足系統(tǒng)和設(shè)備不斷發(fā)展的需求。本文解釋了 USB Type-C 連接器的配置和特性，并對其應(yīng)用進行了討論。然后介紹了Amphenol ICC通過 USB4 認證的USB Type-C 連接器插座樣件。這些連接器支持規(guī)范中列出的所有高級功能，包括減少 EMI 和提高連接器可靠性和機械完整性的額外功能。

1. USB4 第 3 代 Type-C 連接器

USB Type-C 插頭和插座規(guī)范由 USB 實施者論壇 (USB-IF) 在“USB Type-C電纜和連接器規(guī)范修訂版 2.0”文件中指定，該文件涵蓋 USB-Type-C 連接器上的 USB4，并可在 USB-IF 網(wǎng)站上免費下載。

USB-C 連接器使用 24 個引腳，在一個連接器中同時提供 USB 供電 (USB PD)、數(shù)據(jù)傳輸、音頻和視頻輸出。USB-C 連接器最引人注目的是其可反插特性；也就是說，插頭可以以任何方向插入插座——這是那些在插入舊的 USB-A 連接器時遇到問題的用戶非常喜歡的一個特性?？匆幌?USB-C 插頭和插座的信號分配，就可以看出這種能力（圖 1）。 圖 1 中所示為是插座的中心引腳布局。圖示有兩個插頭方向：上面是正常方向，下面是旋轉(zhuǎn)180?的插頭。無論插頭方向如何，插入插頭時相應(yīng)的信號都是匹配的。

圖 1：從每個部分看USB-C 插頭連接器（上方和下方）和插座（中間）的信號分配，我們可看出將插頭旋轉(zhuǎn) 180?插入時仍然可以獲得正確的信號匹配。（圖片來源：Art Pini）

USB-C連接器內(nèi)的信號組在表1中突出顯示，與圖1中相應(yīng)的連接器引腳信號的顏色相匹配，顯示了USB-C連接器在不同應(yīng)用中的多功能性。高速差分信號通道可以支持最高 40 Gbits/s 的傳輸速率，并且可同時用于 USB4 和備用模式及隧道協(xié)議。

表 1：USB4 連接器信號匯總，包括兩個高速差分信號通道，一個 USB 2 差分信號路徑，以及電源和接口控制信號。信號組的填充顏色與圖 1 所示的相應(yīng)連接器引腳信號的顏色完全匹配。（表格來源：Art Pini）

USB4 支持的備用模式協(xié)議包括 Thunderbolt、DisplayPort (DP)、移動高清鏈路 (MHL)、外設(shè)組件高速互連 (PCIe) 和高清多媒體接口 (HDMI)。其它備用模式協(xié)議可以通過 USB PD 協(xié)議握手來定義和啟用，使用結(jié)構(gòu)化的、供應(yīng)商定義的消息 (VDM) 來發(fā)現(xiàn)和配置備用模式。 USB PD 還允許設(shè)備協(xié)商由電源供電的功率水平。USB4 支持的最大功率水平為 100 瓦、20 伏、5 安培 (A)。這種能力可能需要電源可編程。電源控制和主動電纜允許快速充電。設(shè)備之間的供電合約是使用配置通道 (CC) 線路使用雙相標記編碼以 300 千波特速率和半雙工模式進行協(xié)商的。 所有這些不同的協(xié)議都使用一個共同的連接器有很多好處，使之可應(yīng)用于音頻、視頻、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。它還允許對開發(fā)中的新的和即將出現(xiàn)的協(xié)議進行定義。 該連接器的引腳分配布局符合人們常識印象，可最大限度地提高信號完整性。例如，高速和 USB 2 數(shù)據(jù)線是差分的，可減少串擾和 EMI。此外，所有數(shù)據(jù)線都在電源和接地總線或其他低帶寬信號線之間運行，以提供隔離，而且高速數(shù)據(jù)線被布置在相對的兩側(cè)，以盡量減少通道間的串擾。

2.Amphenol ICC USB4 插座產(chǎn)品特性

為了幫助應(yīng)對 USB4 的設(shè)計挑戰(zhàn)，Amphenol ICC 推出了四種 USB4 第 3 代插座，其性能優(yōu)于現(xiàn)有標準。它們是下一代連接器，達到標準要求的最高 40Gbits/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，且與 USB PD 兼容，同時通過 Thunderbolt 接口在單個 Type-C 連接器中結(jié)合了電源充電、隧道 USB 和 PCIe 數(shù)據(jù)傳輸。這些連接器還支持 DisplayPort 視頻和音頻，刷新率為 60 赫茲 (Hz) 的 4K 超高清 (UHD)。

這些連接器的一個重要的 USB4 特性是它們能夠在傳輸視頻和數(shù)據(jù)時動態(tài)地優(yōu)化帶寬。根據(jù)標準，新的 USB4 連接器是向后兼容的，支持以前的 USB 版本，包括 USB 2、3.1和 3.2，但具有可旋轉(zhuǎn)的插頭和電纜方向，大大增強了 USB 用戶體驗。該連接器的小尺寸和功能多樣性使之成為融入新興技術(shù)的理想選擇。

3.機械設(shè)計支持功率和耐久性

Amphenol ICC USB4 插座旨在提供具有 10,000 次配接壽命的卓越性能，具有高耐用性和較少的插拔操作磨損。在導(dǎo)電路徑的設(shè)計中重點加入了高質(zhì)量的銅金屬合金，確保了 40 毫歐 (mΩ) 的低損耗接觸電阻，以及擴展的 5A 電流額定值，使得 USB 供電輸送功率達到 100 瓦。

該連接器的中間板側(cè)壁進行了改進，最大限度地擴大了接觸面積，并穩(wěn)定了接觸性能，使其無晃動（圖 2）。

圖 2：Amphenol ICC USB4 插座的強化側(cè)壁設(shè)計實現(xiàn)了“無晃動”連接，提供了更好的 EMI 保護和更好的機械保護，防止插頭誤插。（圖片來源：Amphenol ICC）

增強的機械功能包括一個延伸的側(cè)壁板，該板延伸到插座舌片的一角，以防止非Type-C 插頭的插入，如插入微型 USB 插頭。相同的側(cè)壁與中板一起接地，提供了額外的屏蔽并減少了EMI。在內(nèi)屏蔽層上增加了凹痕，插入時會引導(dǎo)插頭并保持插頭體位置正確。整個機械組件提供了穩(wěn)定的鎖定性能和與配接導(dǎo)體表面的最大重疊接觸面積，最大限度地減少了接觸電阻。強有力的咔嚓聲確保了完全插入。

4.Amphenol ICC 產(chǎn)品系列

Amphenol ICC 產(chǎn)品中共有四個 USB4 Type-C 插座（圖 3）。

圖 3：Amphenol ICC USB4 第 3 代 Type C 插座包括三個頂部固定式版本和一個中間固定式版本。（圖片來源：Amphenol ICC）

GSB4D313302Y1HR采用直角通孔安裝的頂部固定式插座目前已通過 USB-IF 認證，并被英特爾推薦用于 Thunderbolt 4。其外殼具有前后一致的截面，中心高度為 1.58 毫米 (mm)（從安裝平面到連接器舌片的距離）。 12402056E512A和12402073E512A也是采用通孔安裝的頂部固定式插座，但它們的外殼是矩形的，中心高度為 1.57 mm。撰寫本文時這些插座標準認證正在申請中。 12402075E512A是一款中間固定式插座，中心高度僅為 0.47 mm，配置更加緊湊。它也使用通孔安裝。該插座的認證目前也在申請中。 所有這些插座的額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，因此成為車載應(yīng)用的絕佳之配。

5.USB4 連接器的應(yīng)用

這些插座將在存儲、汽車信息娛樂、家庭娛樂、對接設(shè)備、外設(shè)接口（顯示器/顯示屏、投影儀）以及其他消費應(yīng)用（如筆記本電腦）和平板電腦中找到用途。它們體積小，支持多種模式以及功率控制，實現(xiàn)了巨大的通用性。

6.結(jié)語

USB Type-C 連接器具有處理多種高速協(xié)議和功率水平的能力，隨著用戶尋求更快數(shù)據(jù)傳輸率、更高充電能力和更簡便連接，它們正成為越來越多的應(yīng)用的首選。有了 USB4，用戶就可以獲得備用模式和隧道支持。這些改進將確保 USB4 在更多不同且可能更苛刻的環(huán)境和應(yīng)用中得到更廣泛的采用。為了幫助設(shè)計者使用，Amphenol ICC USB4 插座的設(shè)計超過了基本的 USB-IF 規(guī)范，減輕了 EMI 的影響，并確保了在多次插拔后和寬溫度范圍內(nèi)保持良好連接。

審核編輯 黃宇