标签: USB-C

一、应用环境与客户需求 USB-C的问世不仅显著提升了USB装置的普及率和功能性，也连带对装置设计提高了要求。除了传统的即插即用特性和透过Windows OS提供的通用驱动程序外，USB-C还支持15W的供电与USB Power Delivery(USB PD)技术，进一步扩展了USB装置的应用范围，但这些增强的功能也引入了一些设计挑战，尤其在射频干扰(RFI)的管理方面。 USB-C的应用环境和需求 1.扩展功能和普及 USB-C的普及，主因能够提供更高的供电能力和数据传输速度。15W的供电能力使得更多设备能够藉由USB-C进行充电或供电，而USB PD技术则允许设备之间进行双向的供电和电量协商，进一步增强它的灵活性和通用性。此外，USB-C的多功能接口支援影片输出、音频传输等多种功能，从而应用在更多设备中。 2.设计上的挑战 具备更多功能和更高的性能，也使USB-C增加了设计的复杂性，特别是在与其他无线射频装置共同工作时，USB-C装置需要有效管理射频干扰，包括对USB装置本身的干扰以及与其他射频装置(如 Wi-Fi 和蓝牙设备)之间的干扰进行管理。 二、问题与难处 在USB-C问世之前，针对USB速度对无线射频装置的干扰问题并未受到足够重视，然而随着USB速度提升，尤其在5Gbps和10Gbps的运行模式下，这一问题变得更为明显。这种干扰主要表现在2.4 GHz和5 GHz的无线射频装置上，可能会导致USB装置性能下降，甚至瞬间断线。同时，无线射频装置也会受到干扰，造成性能下降、讯号范围缩小以及连接不稳定。 【问题描述】 百佳泰经手过一典型的实际案例，客户产品为一款配备USB-C接口、Wi-Fi和蓝牙功能的笔记本电脑，该型号支援的USB速度包括5Gbps和10Gbps，但当Wi-Fi和蓝牙功能启用时，笔记本电脑的USB-C接口性能显著下降，仅达到略高于USB 2.0(480Mbps)的传输速度，同时Wi-Fi和蓝牙的连接也变得不稳定，常出现延迟或瞬间断线，主要面对的问题跟挑战如下： 性能下降： 在Wi-Fi和蓝牙启用的情况下，USB-C接口的实际传输速度大幅下降，从5Gbps或10Gbps降至接近USB 2.0的速度。不仅影响数据传输效率，也限制了高带宽应用的性能。 无线连接不稳定： Wi-Fi和蓝牙连接的不稳定性是另一个严重问题。当USB-C接口进行高速数据传输时，无线连接经常出现延迟或瞬间断线，对用户体验造成极大的困扰。 设计和兼容性问题： 对于设计师和工程师来说，在设计和实施USB-C接口时，如何有效地管理和减少射频干扰是个巨大的挑战。尤其是在集成多种功能(如USB、Wi-Fi和蓝牙)的复杂系统中，要确保兼容性和稳定性变得更加困难。 应对策略和成本： 针对上述问题，可能需要采取额外的设计和工程措施，如改进屏蔽和过滤设计、进行更严格的RFI测试等。这些措施会增加设计和生产成本，并且需要在产品开发早期就进行有效的测试和调整。 三、解决方案 针对该客户USB-C接口干扰无线射频讯号的问题，经由百佳泰分析发现了几个关键因素，并提出了对应的解决方案。 【问题分析】 1.阻抗不匹配和信号skew： RFI测试失败的主要可能原因包括trace上组件的阻抗不匹配、PCB贯孔过多以及trace不等长。这些问题会导致信号skew，产生共模讯号，进而影响RFI测试结果。 2.USB-C设备的整体屏蔽不足： USB-C设备的屏蔽设计未能有效阻挡讯号干扰，导致USB运行时对周围的无线射频装置造成干扰。 3.USB-C连接器的讯号外溢： 尽管USB-C连接器的屏蔽有所改进，但USB讯号仍可能从连接器的针脚之间外溢，干扰无线射频讯号，尤其在高速度模式（如 5Gbps 或以上）更为明显。 4.Wi-Fi和蓝牙天线走线过于接近PCB上的USB走线： Wi-Fi和蓝牙的天线走线与PCB上的USB走线距离过近，造成了相互干扰，影响无线讯号的稳定性。 【解决方法】 我们依照问题的分析，提供以下建议给客户进行调整的参考。 ✔ 改进屏蔽设计 目标： 提升USB-C接口的屏蔽效果，减少对无线射频装置的干扰。 建议措施： 增强屏蔽材料：使用高效屏蔽材料包覆USB-C接口，减少外部干扰。 改进屏蔽结构：设计完善的屏蔽结构，与PCB良好接触并确保USB-C 接口的讯号不会轻易外泄。 增强接地：提高屏蔽结构的接地效果，强化USB-C的GND、减少PCB GND与USB-C GND之间的阻抗不匹配，降低干扰。 ✔ 优化过滤措施 目标： 在设计中添加过滤器，以抑制高频噪声和干扰。 建议措施： 添加EMI滤波器：在USB-C连接器及其相关讯号在线安装EMI滤波器，同时为trace Tx±配备CMCC（共模电感），以抑制Tx±产生的共模信号并减少高频噪声。 设计滤波电路：集成滤波电路，过滤掉不必要的高频讯号，降低对无线射频的干扰。 ✔ 调整设计 目标： 在产品设计中考虑USB-C和无线功能的协同工作，进行设计调整和优化。 建议措施： 合理布局天线：确保Wi-Fi和蓝牙天线与USB走线保持适当距离，避免干扰。 优化PCB布局与设计：合理规划USB和无线模块的位置，避免高频信号线与敏感讯号线过近。减少PCB贯孔数量，防止讯号skew导致共模讯号，并确保trace等长设计，以降低讯号skew。 设计隔离区域：为USB-C和无线模块设计隔离区域，减少相互干扰。 ✔ 严格的RFI测试 目标： 全面测试电磁干扰，确保 USB-C 接口高速传输不会干扰无线功能。 建议措施： 遵循标准测试程序：根据USB-IF的USB 3.2 RFI System-Level Test Procedure进行测试。 测试Compliance Mode：确保USB-C进入Compliance Mode，发出CP0 pattern，符合干扰标准。 进行迭代测试：多次RFI测试和调整，确保产品在实际使用中的可靠性。 客户根据上述建议进行修正后，产品成功通过了测试，并在实际使用中表现正常，解决了之前讯号干扰的问题，改进措施不仅提升了产品的性能和稳定性，也改善了用户的使用体验，确保USB-C设备在高速传输和无线功能协同工作时的良好表现。

USB-C自问世后除了继承以往即插即用的特性，再搭配上Windows OS所提供universal driver的加持以及额外增加的15W供电跟USB Power Delivery充电技术。综合以上优点，USB装置的普及获得了进一步的提升。但也因为USB-C的独特性，使得USB装置彼此之间的沟通比起过往来得更加复杂，无形之中也造成USB-C产品在开发设计上的难度。 相较于传统的USB接口，USB-C产品势必有更多连接上的问题需要品牌及开发商努力克服。 USB-C装置应用风险与实例分享 USB连接离不开三类产品，主机端、线缆以及设备端。在设计这三类产品时，我们需要考虑它们的讯号传输质量、电源(供电/压降/耗电)稳定性，以及主机端与装置端的正确沟通。在过往使用传统USB接头的时代，电源角色比较好进行识别，主机端跟供电端是一对，设备端跟受电端是一对。一个萝卜一个坑，由于不会搭配错，使用情境上也相对简单。 但来到了USB-C，因为引进了 DRP(Dual Role Power) 这个新概念，目前最常见的应用情境是设备端可以反向对手持式(带电池)主机端进行充电。如果支持USB Power Delivery，更可以利用大瓦数(SPR: 100W，EPR: 240)来快速充饱电池，因此厂商在电源线路上的设计考虑上务必要审慎再三。 光谈理论，或许有点难以想象，因此接下来我们将透过一个真实案例来进行补充说明，看看百佳泰是如何协助客户发现潜在问题，并且提出对应的解决方案。 案例描述 主机端为一台带USB-C接头的带电池Notebook。该USB-C接头支援USB Power Delivery & DisplayPort Alt. mode。 装置端则为一台带USB-C接头的大尺寸屏幕，该接头支持USB Power Delivery & DisplayPort Alt. mode，可以提供100W的供电。 当主机端与装置端透过USB-C cable连接后，起初以Vbus 5V沟通供电正常，用DisplayPort Alt. mode传输视讯跟音频也没问题。 可一旦供电电压超过5V，过没多久装置端就会drop自动重新识别。 自动重新识别的动作。 案例分析 根据百佳泰的分析，我们发现问题出在「Vbus从5V上升到其他大于5V的电压时，其爬升的Vbus slew rate过快，超过规定值(30 mV/us maximum)」，因此造成notebook端误判OVP，使得整个环境不停重新reset。量测数据如下图所示： 关于这项问题，虽然在USB的认证测试中最初有相关测项要求量测Vbus slew rate，但却没有针对量测方法进行明确的官方定义，也造就了各家tester厂商开始自定义量测方法，导致量测出来的数值不够准确。而在百佳泰提供协会建议后，协会统一了量测方法，目前我们可以透过以下 四个测项来验证Vbus slew rate是否符合标准 ，从而避免相关问题的发生。 ▶ PD.PS.SRC.1 Multiple Request Load Test ▶ PD.PS.SRC.2 PDO Transitions ▶ PD.PS.SNK.2 Initial Sink PDO Transitions Post PR Swap ▶ PD.PS.SNK.3 Multiple Request Load Test Post PR Swap

电子3C产品愈来愈多，每个设备都有各自的充电器规格，甚至连充电接头也不同，为了方便消费者，大部分产品在销售时都会附上专用的充电器，但现今消费者的生活早已被各种电子3C产品包围，充电时常须凭产品而使用不同的充电器或充电线，不仅翻找麻烦，也进而产生更多不需要的电子垃圾。 如今欧盟为了让消费者在购买新产品时仍可延用既有充电设备，于2022年公布了DIRECTIVE(EU)2022/2380，针对Radio Equipment (可收发无线讯号的产品)规定统一使用USB-C充电接头，目的除了确保消费者的便利性外，也以更有效的方式降低环境浪费。 潜在风险 | 您的产品一定要使用USB-C当充电接头吗？ 在DIRECTIVE(EU)2022/2380指令里，定义了13个种类的Radio Equipment，自2024/12/28开始，符合定义的产品如要输入到欧盟境内贩售，就需使用USB-C为充电接头。定义的Radio Equipment包含了： Handheld Mobile Phones手机 Tablets平板 Digital Cameras数位相机 Headphones耳机 Headsets耳麦 Handheld Videogame Consoles手持游戏摇杆 Portable Speakers携带式音响 E-Readers电子阅读器 Keyboards键盘 Mice鼠标 Portable Navigation Systems可携式导航系统 Earbuds入耳式耳机 Laptops笔记本电脑 上述中笔电的部分可延缓于2026/04/28之后统一使用USB-C充电接头。这13个种类的产品包含了所使用的连接器、充电线、设备本身都需要符合EN IEC 62680-1-3的规范，USB-C的接头相对传统的USB A规范更多也更严谨，您的产品确定符合了EN IEC 62680-1-3的USB-C接头吗? 依据百佳泰丰富的测试经验，USB-C Connector在验证过程中最常出现的两大问题：Dimension，以及Extraction Force。 以Dimension为例，连接器的问题主要是USB-C母头的讯号Pin长度太长，超出EN IEC 62680-1-3规范。 下面的案例则为USB-C连接器在Extraction Force拔出力过大的问题(大于20.0N)。 上述产品风险透过百佳泰针对EN IEC 62680-1-3 Connector的验证，便能发现问题，并提出有效的建议。

USB-C接口已经广泛通用在PC业界，新出的系统或是行动周边几乎都以此界面规范做应用，但显示器在数字接口上仍以支持DP(DisplayPort)接口或是HDMI接口为主，因此利用USB-C转接头或是转接线来连接显示器，是目前常见的使用情境，而这类型的产品也是普遍流通于消费通路中的商品，对于品牌跟通路商来说，其品质便至关重要。 USB-C to DP Cable关键应用风险 根据百佳泰丰富的测试经验，并且收集网络上大量消费者的使用者回馈后，针对USB-C转DsiplayPort的Cable产品，可以归纳出关键问题有：兼容性、功能性以及画面异常等，而其中令使用者最不能忍受的，就是 连接屏幕与计算机时无法侦测到屏幕的问题 ，而这问题往往并非来自于屏幕或系统端， USB-C to DP Cable才是无法点亮DP屏幕的主要凶手 ，也是造成消费者对Cable退货的主要元凶。 透过重要问题的发现，百佳泰因而设计出了对应治具， 可以检验出USB-C to DP Cable对其中Aux跟HPD讯号侦测机制，以及HPD讯号跟HPD over PD的转换的正确性，可以解决因为讯号转换导致DP画面点不亮的问题 ，有了百佳泰专属开发治具，能够协助设计商提前发现并解决问题，进而减少产品上市后遭退货的风险。 针对USB-C转DisplayPort转接线及转接器类产品，还可进行以下测试，帮助排除大部分可能遇到的问题，减少下架与退货风险。 兼容性测试 (Compatibility Test） 功能性测试 (Functionality Test） 使用者体验测试 (User Experience Test） 缆线与连接器测试 (Cable Connector Test） 认证测试 (VESA DisplayPort Certification Test） 竞争者分析与质量提升咨询 (Competitive Analysis and Consulting）

「即插即用」USB跃升主流传输接口 USB从问世以来，凭借着即插即用的特性，促成普及性快速提升，目前已经成为最通用的传输接口，连Apple也放弃多年iPhone的Lightning接口，转而使用USB-C接口。如今每个人的生活中只要有电脑, 就一定无法避免会使用USB。USB产品如果在设计上一个不留意, 就会造成在使用时各种光怪陆离的问题发生。做为通用接口却在连接上发生不能使用的状况会让使用者抓狂，因此，这是各大USB装置的开发商与品牌商不可不在意的问题。 USB装置应用风险与实例分享 USB如要能正常运作, 在连结方面离不开三类产品： 主机端、缆线端以及装置端 。而这三类产品在设计时，又要个别考虑它们的讯号传输质量、电源(供电/压降/耗电)稳定，以及主机端与装置端之间的沟通正确性。只要任何一个环节出问题，轻则产品无法达到其宣传的效能，装置只能在低速度下运行，严重的话甚至可能导致对接的USB产品损坏，无法正常运作，而需要送修，如此不但造成厂商成本增加也大大的破坏品牌形象。 以下为百佳泰经手的实际案例, 我们协助客人发现问题并提出解决方案： 主机端为一般Windows PC或是Apple/Android tablet 装置端为一个混音器，需要15W(5V/ 3A)方能稳定工作 主机端与装置端透过USB-C Cable进行USB 2.0数据以及15W电源传输 当主机端与装置端透过USB-C Cable连接后, 在数秒至十数秒间可以正常供电，但没过一会儿便会发现装置端消失并进行重新识别 在此之后，一直呈现重复消失再重新识别的连接动作 主机端与装置端透过USB-C Cable连接 经过百佳泰专业的顾问团队的分析，发觉问题为D+/ D-开始传输USB讯号后，即会对CC产生串音噪声(Crosstalk noise)，PD芯片误判此噪声为PD封包但又无法正常识别，因而发Hard Reset来重置整个连接。 百佳泰建议客户从两个方向着手进行改善： 【1】USB-C Cable里面D+/ D-与CC不做twist，避免D+/ D-与CC因为相距太近，造成串音噪声影响到PD芯片。验证方面，则可以执行以下两个Cable SI测项以确认是否有改善。 【2】在装置端CC上电容，增加D+/D-在USB讯号传输时对CC所产生串音噪声的抑制。验证方面，则可以执行以下两个PD测项以发现问题所在，并提前解决问题。 PD.PHY.ALL.4 Bus Idle Detection PD.PHY.ALL.5 Receiver Interference Rejection