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          1. 東莞元太電業有限公司

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            高速連接器質量檢驗重點!你知多少?

            來源:東莞元太電業有限公司發布時間:2018.10.17 17:17:23 關注:1,908

            在通訊產業蓬勃發展之下,各式電子產品持續追求更大量且穩定的傳輸質量,電子線材數據傳輸的及時性與多元化應用需求也促使高速訊號傳輸技術的發展。為了達到提升訊號傳遞速度,除改變訊號編碼方式外,降低訊號位準(signal level)亦或是提供全雙功的傳輸模式都是改良的方式。 高速連接器質量檢驗重點!你知多少? 同時,各組件或裝置之間對于減少訊號衰減與失真以及避免噪聲干擾的要求大幅提升,因此,作為溝通橋梁的連接器也非常重要,其傳輸速度對于傳輸訊號質量與效能的影響也日趨受到重視。
            USB數據傳輸從早期USB 1.0的最大傳輸速度為12 Mbps,歷經USB 2.0的480 Mbps、USB 3.1 Gen 1的5 Gbps,一路演進至USB 3.1 Gen 2,不但傳輸速度一口氣提高至10 Gbps,其通訊模式也從半雙功提升至全雙功,以滿足日益增加的高速傳輸需求。
             
            在外觀上,近年來在智能型手機的帶動下,USB接口從應用廣泛的標準型A、B Type、Mini系列,再到Micro系列產品,以及最近很火紅的USB Type-C,其外觀尺寸已縮小6倍之多,消費性電子產品朝著輕薄化的發展趨勢。連接器產業未來勢必朝向輕薄短小、且具有快速傳輸效能的方向發展。
            百佳泰深圳實驗室日前獲得USB協會(USB-IF)授權,成為中國唯一官方授權USB線纜與連接器實驗室,提供USB線纜與連接器的相符性測試與技術咨詢。目前火紅的USB 3.0及USB Type-C線纜與連接器開發過程有許多重點項目,我們將廠商容易遇到的困擾與問題做分析,提供相對應的質量檢測重點,期望協助廠商在產品開發過程中能更順利更有效率。 傳輸效能大量提升 量測重點更加謹慎 由于早期低速連接器并不需要提供大量的訊號傳遞,對于連接器的電氣性能最多只要求直流電性導通與否、機械性能為測試重點,例如插拔力、插拔壽命、端子保持力及接觸電阻測試等,因為這些試驗都會對機械與導通性能造成影響。進入2000年之后,USB及IEEE 1394相繼問世,宣告連接器進入另一個時代,連接器的目的從原本只要求電流是否導通到大量訊號的傳遞,訊號完整度變成了量測上的重點。未來透過對于Impedance(特性阻抗)、Propagation Delay(傳輸延遲)、Propagation Skew(傳輸時滯)、Attenuation(衰減)、Crosstalk(串音)等方面的測試項目便可驗證訊號的完整性。 高頻訊號測試重點一:串音量測(Crosstalk) 隨著傳輸數據的大量化,帶動著HDMI、DisplayPort及USB 3.1 Type-C等高頻連接器相繼問世,連接器的傳輸速度也從Mbps等級提升到Gbps等級。當訊號速度持續加快時,如何降低噪聲干擾成了重要課題,因此單線傳輸架構逐漸轉換成雙絞線方式(Shielded Twisted-Paired),甚至以同軸線型態(Coaxial)組成,藉以降低本身噪聲的產生以及提升抵抗外界干擾的能力;但是因為多條或多對訊號同時高速傳輸的影響,串音程度也逐漸增加,因此各種串音現象(Crosstalk)的產生則必須要被分析探討。
            所謂串音(Crosstalk)是指兩條訊號之間輻射訊號的耦合現象。這是因為訊號對之間的距離鄰近,輻射訊號透過彼此間的雜散電感和雜散電容相互耦合而互相產生干擾,電容性耦合會引發耦合電流,而電感性耦合則引發耦合電壓;以現實生活來舉例,家用電話在通話時,偶爾會因串音干擾,而聽到第三者的聲音。一般說來高頻訊號在相鄰的訊號線做傳輸時,很難避免串音干擾的產生,所以需透過串音量測來了解串音干擾是否控制在可容許的范圍之內。串音又可分為:近端串音(Near End Cross Talk: NEXT)及遠程串音(Far End Cross Talk: FEXT)兩種,目前Type-C擁有4對訊號對,而DisplayPort因多包含控制用的AUX channel,共擁有5對訊號對,兩個產業(大陸用法的話應該要改成行業)標準協會都非常重視串音參數的量測;亦將串音測試納入驗證項目之一。 高頻訊號測試重點二:信號損失量測(Loss) 伴隨產品小型化的發展趨勢,配合連接器所使用的電纜線組中輕量且可繞性佳的線材需求大增,芯線線徑勢必越來越細。目前HDMI線材約24~30 AWG,USB 3.1則為28~34 AWG,AWG為美國線規,是一種區分導線直徑的標準,數值愈大則線徑愈小,導體愈小,在在線傳送的高頻訊號將受導體本身特性造成訊號功率的損失也會愈大,各產業標準協會通常也會在規格上設定可接受的頻率損失參考標準。
            損失(Loss)是指訊號在傳輸線中的衰減程度,損失種類可分為:插入損失(Insertion Loss)及反射損失(Return Loss)。理想狀態下訊號的傳輸是沒有衰減;但實際上受銅材料特性影響傳輸距離越長,訊號損失越多(即線組越大損耗越大),插入損失隨著訊號的工作頻率越高,所產生的訊號損耗也越多,雖然這種導體損耗對連接器本身影響不大,但對電纜線組而言卻影響甚深。
            反射損失的產生,主要發生在連接器本身或是配對的接面上,因為連接器本身形狀與特性很難形成所謂『傳輸線結構』,同時電纜線與連接器接合制程中的串接瑕疵也會造成訊號大量的反射損失。為了有效掌控傳輸線的損失不會影響質量,插入損失(Insertion Loss)及反射損失(Return Loss)的量測是未來驗證高頻連接器不可缺少的項目。
            線材的損失測試需要靠儀器來完成。一般說來量測線材損失的設備包含了Time domain 及Frequency domain兩種測試設備。 以USB為例,在USB 3.1 認證測試上要求使用時域反射儀(Time Domain Reflectometry, TDR)及網絡分析儀(Network Analyzer, NA),兩臺設備分別對不同參數進行量測。傳輸速度的提升,對于量測設備有相當大的挑戰,完整量測設備的建制需要隨著技術的變革而更新,成本也逐漸提升,如何建制有效的測試環境對廠商來說也是一個非常大的負擔。
            以USB 3.1 Type-C認證為例,能夠用來驗證號損失的設備商各有不同的操作方向,然一般而言,設備廠商目前所提出的MOI (Method of Implementation)都是使用單一機臺來完成電纜線組測試項目。也就是在單一機臺上執行時域及頻域的測試。在Tektronix的TDR上,TDR可將量測到的時域訊號透過IConnect software做快速傅立葉變換(Fast-Fourier Transform)(注一),轉化成不同頻域下的諧波訊號(sin wave)。另外,Keysight的ENA則是透過option TDR功能,將量測到的頻域訊號透過逆傅立葉變換(Inverse Fourier Transform),轉化成時域訊號。再透過軟件的輔助轉換,讓測試人員可以同時量測到頻域與時域訊號,快速的完成所需的量測項目之外,也大幅降低公司成本。也可以簡化工程人員分析的時間。
             
            圖4 時域與頻域訊號關系圖
            輕薄短小、滿足大量數據傳輸需求,是未來連接器發展的必然趨勢,連接器產業已擺脫機械加工的傳統模式朝向微波組件與高頻特性發展。為能保持高度競爭力與產出優質產品,從線纜設計到量測與結果分析能力已逐漸造成產業發展的分水嶺,如何提升各項能力朝板對板(board to board)之高單價產品邁進會將是連接器廠商向上提升的關鍵技術,各大線纜聯接器廠商紛紛投入大量的研究人力,并且重視產品的驗證測試來建立自有產品的質量與知名度。

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