原创 最全 USB3.1 TypeC 测试 (图文并茂) #S0040

2017-7-18 15:21 5764 5 3 分类: 消费电子

USB是目前PC上最成功的接口标准,而USB3.1是其最新版本。


在USB3.1的标准里,革命性地融合了3种最新的现代科技技术,分别是:数据速率从5Gbps提高到10Gbps;TypeC接口实现PC外设接口的统一;Power Delivery技术实现更智能强大的充电能力。

下面简单分别介绍一下。


 数据速率提升到10Gbps:USB接口的标准最早是上世纪90年代推出,数据速率为1.5Mbps(Low Speed),后来提高到了12Mbps(Full Speed),在2000年又提高到了480Mbps(High Speed),从此开始了USB接口一统PC外设接口的时代。到2008年时,面对大量数据传输的挑战以及eSATA的竞争,USB协会又推出3.0标准,把接口速率提高到了5Gbps,目前在PC及移动硬盘上已经普及。由于原先的USB2.0的信号线缆以及芯片的限制已经不能实现从1.5Mbp到5Gbps这么大跨度范围的信号传输,所以USB3.0是在原来的USB2.0的接口上另外增加了2对高速的差分线,采用类似PCIe那样的预加重、均衡和8b/10b编码技术。到2013年时,随着对于数据传输速率要求的进一步提升,USB协会又通过3.1标准的推出把数据速率提高到10Gbps,同时采用了效率更高的128b/132b编码方式。不过随着速率的提高,除了芯片做的更加复杂以支持链路协商和克服损耗以外,能够支持的电缆的最长长度也从USB2.0时代的5米降到了USB3.0时代的3米,到USB3.1时代就只有2米了。


 TypeC统一了PC外设接口:对于USB3.1标准推出来说,最让业界兴奋的还不是数据速率的提升,而是对TypeC接口的采用。目前使用的USB接口主要为扁形的A型口和方形的B型口,以及在手机等移动设备上广泛使用的的MicroB的接口。而TypeC接口的推出真正改变这一切。TypeC之所以引起业界的关注和积极采用主要因为几个原因:更轻、更小,适合手机、PAD、笔记本等轻薄应用,同时信号的屏蔽更好;采用类似苹果Lightning接口的正反插模式,正反面的信号定义是对称的,通过CC1/CC2(Control Channel)管脚可以自动识别,用户可以不区分方向盲插拔;正常情况下,根据插入的是正面还是反面可以用TX1+/TX1-/RX1+/RX1-或者TX2+/TX2-/RX2+/RX2-这两对差分线进行USB3.1的信号传输,但如果支持Alt Mode,则可以四对差分线一起传输用来支持Displayport、MHL、Thunderbolt视频或存储格式信号输出,并通过SBU1/SBU2(Secondary Bus)管脚来实现Alt Mode下一些低速视频控制信号的传输;支持更智能、灵活的通信方式,通过CC1/CC2的上下拉电阻设置可以区分主机(DFP接口:Downstream Facing Port)还是外设(UFP接口:Upstream Facing Port),也可以通过CC管脚去读取外设或电缆支持的供电能力。下图是TypeC接口的信号定义以及和传统USB接口的比较。

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 Power Delivery技术实现更智能强大的充电能力:即插即用、数据传输与充电合一是USB接口的的一个重要特征。在USB2.0时代,USB接口可以支持2.5W的供电能力(5V/500mA),到USB3.0时代提高到了4.5W(5V/900mA),但这样的供电能力对于笔记本或者一些稍大点的电器供电都是不够的,而且由于一些产品的质量问题,也出现过由于充电过程中起火烧毁的事故。为了支持更强大的充电能力,同时避免安全隐患,USB3.1标准中引入了Power Delivery的协议(即PD2.0协议),一方面允许更大范围的供电能力(比如5V/2A、12V/1.5A、12V/3A、12V/5A、20V/3A、20V/5A),另一方面会通过CC线进行PD的协商以了解线缆和对端支持的供电能力,只有通过协商成功后才允许提供更高的电压或工作电流。下图是PD协商的原理,以及实测到的一个被测件插入过程中通过CC协商后把输出电压从5V提高到20V的信号波形。

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在对USB3.1 TypeC接口的设备进行信号质量测试时,有很多项目需要测试比如眼图、抖动、SSC等,不同的测试项目需要被测件发出不同的测试码型,但是如何完成码型的切换呢?


首先,我们要知道TypeC的接口是双面的,也就是同一时刻只有TX1+/TX1-或者TX2+/TX2-管脚上会有USB3.1信号输出,至于哪一面有信号输出,取决于插入的方向。


如下图所示,缺省情况下DFP设备在CC管脚上有上拉电阻Rp,UFP设备在CC管脚上有下拉电阻Rd,根据插入的电缆方向不同,只有CC1或者CC2会有连接,通过检测CC1或者CC2上的电压变化,DFP和UFP设备就能感知到对端的插入从而启动协商过程。

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在信号质量的测试过程中,由于被测件连接的是测试夹具,并没有真实的对端设备插入,这就需要人为在测试夹具上模拟电阻的上下拉来欺骗被测件输出信号。对于DFP设备的测试,需要模拟对端Rd的下拉;对于UFP设备的测试,需要模拟对端Rp的上拉。根据使用的测试夹具不同,其设置上下拉的方法也不一样。


如果使用如下图所示的USB协会的TypeC测试夹具,其套件包含16块不同功能的夹具,要区分使用的是做Host测试夹具还是Device测试夹具,其上面的跳线和上下拉设置情况也不太一样。

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而如果使用的是示波器厂商提供的通用TypeC测试夹具,如下图所示,其夹具本身不做Host或Device的区分,而是通过低速控制器来设置是上拉、下拉还是开路。低速控制器的状态可以通过软件来配置。

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接下来我们来看一下在USB3.1的TypeC测试中如何使被测件发出测试码型。根据USB3.1的LTSSM(Link Training and Status State Machine)状态机的定义(如下图所示)。

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在通过上下拉电阻检测到对端插入以及检测到对端的50欧姆负载端接后,就进入Polling协商阶段。在这个阶段,被测件会先发出Polling.LFPS的码型和对端协商(LFPS的测试后面我们还会提到),如果对端有正常回应,就可以继续协商直至进入U0的正常工作状态;但如果对端没有回应(比如连接示波器做测试时),则被测件内部的状态机就会超时并进入一致性测试模式(Compliance Mode),在这种模式下被测件可以发出不同的测试码型以进行信号质量的一致性测试。


在一致性测试模式下,被测件可能发出16种不同的测试码型以进行不同项目的测试,比如CP0~CP8是5Gbps速率的测试码型,CP9~CP16是10Gbps速率的测试码型,CP0和CP9用于眼图测试,CP1和CP10用于随机抖动测试等。刚刚进入一致性测试模式时,被测件会停留在CP0状态,如果收到Ping.LFPS的码型输入,就会切换到下一个测试码型,依次往复循环。Ping.LFPS是频率大约几十MHz的低速的脉冲串,可以借助于函数发生器、码型发生器或者误码仪等设备生成,下图是用示波器捕获到的被测件接收到Ping.LFPS的脉冲串并进行码型切换的例子。

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除了5Gbps和10Gbps的正常信号的测试,在信号质量的测试中还需要对SCD1(Superspeed Capability Declaration 1)、SCD2(Superspeed Capability Declaration 2)和LBPM(LFPS Based Pulse Width Modulation Messaging)的信号波形进行测量。

在USB3.0的时候,只有统一的LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)信号(如下图所示),用于上电阶段向对方声明自己支持USB3.0的能力。LFPS是特殊的低速脉冲串,其宽度和周期分别代表不同含义,用于总线的控制,因此其时间和幅度参数的准确性对于系统工作非常重要。


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在USB3.1的标准里,进一步扩展了LFPS信号的功能,它不再像USB3.0里那样使用等间隔周期的脉冲串,而是用脉冲串间隔的宽窄编码来代表不同的含义,最典型的就是SCD1和SCD2信号。


在USB3.1的设备上电阶段,会先发出SCD1的信号,如果对端有SCD1的信号回应,则会进入下一阶段发出SCD2的信号;如果对端再有SCD2的信号回应,则会又进入下一阶段用LBPM信号进行链路速率和其它参数的协商。下面两张图分别显示了SCD1到SCD2信号的切换,以及SCD2到LBPM的信号切换过程。

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因此,在测试中,如果要进行SCD1以及后续的SCD2、LBPM等相关参数的测试,就也需要一台信号发生器能够发出SCD1、SCD2甚至LBPM的信号和被测件进行交互,以欺骗被测件进入后续的状态,这台信号发生器可以使用和前面做一致性码型切换一样的设备。


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