בודקים את מתאם ה-USB Type-C™ הרבגוני אשר יש בו הכל – הספק, מהירות וגמישות

בית » New-Tech Magazine » בודקים את מתאם ה-USB Type-C™ הרבגוני אשר יש בו הכל – הספק, מהירות וגמישות

לבדיקת מחבר-Type-C השפעה אקספוננציאלית על בדיקות ואימות הלוח שלכם (כלומר, הוא מביא עמו גידול מעריכי בכמות וזמן הבדיקות).

הסברה לפיה אימות ה-Type-C מייצג שינוי אינקרמנטלי (כלומר, מביא עמו גידול תוספתי) בסביבת הבדיקות היא סברה שגויה, ואפילו מסוכנת.

קצב ההתפתחות הטכנולוגית נהיה מהיר יותר ויותר והשוק מסביר פנים לאלו המקדימים לאמץ את ההתפתחות. מחזורי פיתוח מוצר מקוצרים משמעם שכל היבטי הפיתוח, לרבות הבדיקה והאימות, הופכים לחשובים במיוחד בתהליך של הוצאת מוצר כלשהו לשוק. הלחץ להוציא במהירות מוצרים לשוק אמנם גבוה, אבל טכנולוגיות כדוגמת ה-USB Type-C רק מדגישות את המורכבות הכרוכה בבדיקות. הבנה טובה של היכולות הטמונות במחבר תעזור לזהות תחומים שבהם יידרשו עוד בדיקות, מכשירים והתקני בדיקה. שגיאה בשלב הזה עלולה בקלות להאריך את זמן הבדיקות שלכם בחודשיים ואף יותר, כשמחיר הטעות עלול להגיע גם למיליון אירו. אם ההתקן שלכם נכשל בבדיקות של פורום המיישמים USB-IF Compliance workshop)) המחיר הכספי והעיכוב בלוח הזמנים עלולים להיות גבוהים אף יותר.

סקירה של המתאם USB Type=C

באיור 1 מוצג חיבור 24 הפינים הפונקציונלי במיוחד של USB Type-C. פיני ההספק, V_BUS ו-GND מציעים תמיכה בטווח של הספקים: עד W100. ארבעת זוגות המשדר/מקלט (TX/RX) מאפשרים להשתמש בערוץ אחד, בשני ערוצים או בכל ארבעת הערוצים לצורך שידור נתונים בכל עת, ומציעים מהירות של עד 20Gbps לנתיב (lane). קוי ה-CC1 ו-CC2 מנהלים את הגדרת ממשק המחבר בעזרת שלוש פונקציות: ניהול תצורת הכיווניות (אוריינטציה), צריכת ההספק דרך הכבל וערולתקשורת לאספקת החשמל. פיני ה-SBU1 וה-SBU2 הם ערוצי תקשורת בפס צד, ומספקים חיבורים נוספים ושימושיות עבור פרוטוקולים אחרים מ-USB. ניתן להשתמש בחיבור בו זמני של USB 2 (D+,D) עבור פעולות USB 2 סטנדרטיות או כחיבור משלים לצורך מידע עלאספקת החשמל. חיבורי ה-D+ מקושרים יחדיו וכך גם חיבורי ה-D, זאת על מנת לשמר את עצמאות הכיווניות של המחבר (כלומר, את האוריינטציה הבלתי תלויה שלו).

איור 1. מפרט 24 הפינים של ה-USB Type-C

אספקת החשמל (PD) מנהלת באופן דינמי את הקצאות ההספק, מתאימה את המתח והזרם, וקובעת תפקידי ספק/צרכן עבור כל ההתקנים המחוברים. התקנים יכולים לבקש את ההספק הנחוץ להם ולקבל יותר הספק כאשר זה נדרש עבור יישום ספציפי. ההספק הדו כיווני של ה-PD מאפשר להתקן שמקבל את ההספק גם להעביר בעצמו הספק להתקנים אחרים. בנוסף מאפשר ה-PD למתאם ה-USB Type-C לתמוך בתקנים אחרים כדוגמת DisplayPort (DP) או Thunderbolt (TBT) באמצעות עבודה במצב חלופי (Mode Alt (()

אתגרי הבדיקה והפתרונות של ה-USB Type-C

מהנדסי תכנון ובדיקה מתמודדים עם כמה וכמה אתגרים במעבר ממתאם ה-USB הסטנדרטי מסוג A/B עם 4 פינים למתאם ה-USB Type-C בן ה-24 פינים . ה-USB Type-C כולל שינויי תכנון שמתמודדים עם הבעיות של הכבלים/מחברים מסוג A/B ומציעים יותר תכונות ואפשרויות עבור מוצרים עם יכולות של USB Type-C. הבנה טובה של אתגרי הבדיקה והפתרונות תעזור להבטיח הצלחה באינטגרציה של USB Type-C ובדיקת התקנים.

אספקת חשמל

היכולת הדינמית של ה-PD ומגוון תצורות ההספק האפשריות שהוא מציע, בשילוב עם האתגר של המפרטים עבור USB 2.0 והמתפתחים עבור, USB 3.1 דור 1 ו-2, ותאימות PD, הופכים את משימת אימות הבדיקות של התקני USB Type-C להרבה יותר מאתגרת מבדיקת ה-USB המסורתית. ההספק, השכבה הפיסית (PHY)ושכבת הפרוטוקול הן עדיין קטגוריות מפתח בבדיקות תאימות. פרמטרים חשובים של בדיקה שמהנדסי תכנון חייבים לקחת בחשבון כוללים הרבה רמות שונות של מתח, טעינת התקן, פונקציונליות של הכבלים וסטטוס של קביעת ספק לעומת סטטוס של התקן צרכן.

באיור 2 ניתן לראות את המארח וההתקן ככניסות בעלות שני תפקידים (DRP), מה שעולה בקנה אחד עם סביבת USB Type-C שבה ניתן להחליף בין התפקידים. המצב של DRP – בין אם ברגע הנתון הוא פועל כמארח ובין אם כהתקן – מנוהל על-ידי כבל CC כחלק מתשתית ה-PD. ניפוי שגיאות (debug) של פרוטוקול ה-PD הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר עבור מהנדסים כיוון שהוא מצריך גישה לכבלי ה-CC ולאות ה-VBUS לצורך אפיון נאות. ל-USB PD יש רמות מתח/זרם מוגדרות שההתקנים יכולים לבחור עבור תפעול, מה שהופך את היכולת לבדוק רמות PD בתחילת הפעולה של התקנים לחשובה במיוחד.

איור 2. יישום של USB-Type-C עם כל התכונות

תצורה (קונפיגורציה) לדוגמה עבור בדיקת התקן בשכבה הפיסית כוללת אוסילוסקופ, פרובים, פרוב זרם, תוכנת פרוטוקול USB PD, קופונים/התקני בדיקה ובקר PD. בעבור קצבי העברת נתונים של 300 קילוהרץ מומלץ להשתמש באוסילוסקופ Keysight Infiniium של 500 מגהרץ או יותר, הכולל זמן הקלטה ארוך הלוכד את כל תעבורת הממשק. על אף שמדובר בעיקר באותות DC, לרוב ישנם גם מאפייני AC, מה שמצריך סקופ עם מספיק רוחב פס. מומלץ להשתמש במתח קיזוז בפרוב כדי לראות את השינוי (transients) באותות כאשר מנתחים את אות ההספק 5V DC שכן השימוש בבלוק DC מסנן החוצה DC ותכני תדר נמוך.

שידור/קליטה (TX/RX)

מפרטי ה-USB Type-C מביאים עמם הרבה אתגרים חדשים בתחום בדיקות השידור והקליטה. היכולת למדוד באופן מהיר ומדויק היבטים מרכזיים של העין המשודרת, תזמוני תשדורות LBPM ו-LFPS (אשר משמשים בתהליך הקמת הקשר), פרופיל SSC משודר, אותות SCD, ולבצע אקווליזציה בצד המשדר (de-emphasis) ו-pre-shoot תהיה קריטית להצלחת בדיקות ה-TX. חילול אותות גמיש ואיתור שגיאות בסיביות הן משימות מפתח באימות בדיקות RX.

בדיקת התאימות לתקן של TX ו-RX מצריכה הרצה של תבניות בדיקת תאימות. תבניות האות השונות הללו נוצרות במהלך בדיקות תאימות, בשעה שנעשות מדידות בכלי המוכר כ- SigTest (של ארגון ה-(USBIF. כל בדיקת תאימות מביאה עמה אתגרים משלה. בדיקת תאימות של USB-IF מצריכה טעינה של תנאים שונים, מה שמגדיל את מספר הבדיקות שיהיה על המתכננים להגדיר ולבצע עבור כל התקן.

עבור בדיקות תאימות שידור (TX )מהתקני USB 3.1, DP 1.3, TBT 3 ו-MHL מומלץ להשתמש בהתקני הבדיקה N7015A ו- N7016A שנועדו לשימוש עם האוסילוסקופים מסוג Infiniium מבית Keysight (ראו איור 3). פתרון זה מציע את איכות דגימת האותות הטובה ביותר עם רוחב פס 20GHz (ב—3dB-), ועם אפשרות של de-embedding עד GHz30. זה כולל התקן בדיקה של ממשק חיבור ה- Type-C המטפל ב”היפוך” של המחבר ומספק נקודת בדיקה וגישת פרוב לצורך מדידות המשדרים ואספקת חשמל.

איור 3. התקני הבדיקה של Keysight, ה- N7015A ל-Type-C במהירות גבוהה, וה- N7016A למהירות נמוכה

ה- M8020A J-BERT הוא מבדק BERT עתיר ביצועים עד 16Gb/s שמציע את כל מה שנחוץ לבדיקת המקלטים מובנה בתוך הציוד [de-emphasis, יכולות של שידור תבניות, CTLE (אקווליזר לינארי בזמן רציף), DFE (אקווליזציה של משוב החלטות), את היכולת ליצור מגוון מבנים של תבניות, ויצירת רצפים של תבניות (re-sequencing)]. הפתרון של Keysight לבדיקת מקלטי USB 3.1 מספק תוצאות בדיקה מדויקות וניתנות לשחזור המתאפשרות תודות למקורות המובנים של המבדק M8020A J-BERT (ריצוד אקראי, ריצוד תקופתי, SSC), אמולציה מדויקת של ה-de-emphasis לפני ואחרי הסמן (pre-cursor וג- post-cursor), וכן עקבות ISI (הפרעה בין סימנים).

כבל ומחבר

מפרטי ערוץ USB Type-C, לרבות סימטריות החיבור, נתונים במהירות גבוהה, הספק גבוה, ריבוי סוגים של שידור נתונים, ותאימות לאחור, מובילים להרבה תצורות (קונפיגורציות) המצריכות בדיקה כדי לאמת את ההתאמה לערוץ USB. הביצועים של הערוץ במגוון תצורות מושפעים גם מניחות (loss), החזרה (רפלקציה) וערב-דיבור (crosstalk). היום יש צורך בשיטות קפדניות יותר מאלו שהיו נהוגות בעבר כדי להסיר את האפקטים של התקני הבדיקה, להתמודד עם השפעות נוספות תגובת הערוץ (איור 4) ולהתמודד עם רמות ה-EMI וה-RFI בערוץ ה-USB Type-C במהלך בדיקות של תאימות USB.

איור 4. תגובת ערוץ מצריכה שינוי בשיטות הבדיקה ומעבר מהבדיקות הפרמטריות המסורתיות לבדיקות “עין נסגרת”

בדיקות מסורתיות של תאימות כבל/מחבר השתמשו בנתח רשת ( VNA) לצורך ניתוח תחום תדר, ובאוסילוסקופ TDR לצורך ניתוח תחום זמן. נתח הרשת מסדרת ENA מבית Keysight הוא פתרון מומלץ שמציע ניתוח משופר בתחום זמן (אופציה של TDR) על מנת ליצור פתרון שלם “בקופסה אחת” המודד את כל הפרמטרים של התאימות. ה-N4433A הוא מודול ECal (כיול אלקטרוני בגלי מיקרו) המבוקר מממשק ה-ENA USB ומשמש לכיול ENA ולהסרת האפקטים של הגדרות הבדיקה.

Keysight Technologies היא היצרנית היחידה שפתרון בדיקת ה-Type-C שלה מציע את האפשרויות הבאות:

ציוד מאושר לתקן USB-IF ובדיקות עבור USB Rx/Tx
ציוד מאושר לתקן VESA ובדיקות עבור DP Rx/Tx
ציוד מאושר לתקן TBT ובדיקות עבור TBT Rx/Tx

מעורבות רחבת היקף בקבוצות תקינה ובסדנאות הקשורות אליהן, כמו גם פיתוח מפרטים, ושיתוף פעולה עם הראשונים באימוץ הטכנולוגית מאפשרים לחברת Keysight להביא לשוק את הפתרונות הנכונים בזמן הנכון.

בנוסף לעובדה שהפתרון של Keysight מאושר עבור כל טכנולוגיית ה-Type-C, הוא גם היחיד המספק: