作者：Art Pini，來源：得捷電子DigiKey

USB4 接口的兩個通道的最大數據傳輸率為每秒 40 吉比特 (Gbits/s)，這給設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，現在有多種數據和顯示協議普遍使用 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。其他設計挑戰包括減輕由于錯誤插入插頭而造成的機械損壞的風險，以及需要適應更堅固、更先進功能的終端產品和使用模式。

USB Type-C?規范確立了新的連接器要求，即在保持與現有 USB 形式的所有功能優勢兼容性外，同時滿足系統和設備不斷發展的需求。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 插頭和插座規范由 USB 實施者論壇 (USB-IF) 在“USB Type-C電纜和連接器規范修訂版 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)、數據傳輸、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。看一下 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180?的插頭。無論插頭方向如何，插入插頭時相應的信號都是匹配的。

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 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連接器內的信號組在表1中突出顯示，與圖1中相應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 支持的備用模式協議包括 Thunderbolt、DisplayPort (DP)、移動高清鏈路 (MHL)、外設組件高速互連 (PCIe) 和高清多媒體接口 (HDMI)。其它備用模式協議可以通過 USB PD 協議握手來定義和啟用，使用結構化的、供應商定義的消息 (VDM) 來發現和配置備用模式。 USB PD 還允許設備協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商的。 所有這些不同的協議都使用一個共同的連接器有很多好處，使之可應用于音頻、視頻、數據存儲和數據通信應用。它還允許對開發中的新的和即將出現的協議進行定義。 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 數據線是差分的，可減少串擾和 EMI。此外，所有數據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，而且高速數據線被布置在相對的兩側，以盡量減少通道間的串擾。

2.Amphenol ICC USB4 插座產品特性

為了幫助應對 USB4 的設計挑戰，Amphenol ICC 推出了四種 USB4 第 3 代插座，其性能優于現有標準。它們是下一代連接器，達到標準要求的最高 40Gbits/s 的數據傳輸率，且與 USB PD 兼容，同時通過 Thunderbolt 接口在單個 Type-C 連接器中結合了電源充電、隧道 USB 和 PCIe 數據傳輸。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據時動態地優化帶寬。根據標準，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的理想選擇。

3.機械設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。在導電路徑的設計中重點加入了高質量的銅金屬合金，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壁進行了改進，最大限度地擴大了接觸面積，并穩定了接觸性能，使其無晃動（圖 2）。

圖 2：Amphenol ICC USB4 插座的強化側壁設計實現了“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。相同的側壁與中板一起接地，提供了額外的屏蔽并減少了EMI。在內屏蔽層上增加了凹痕，插入時會引導插頭并保持插頭體位置正確。整個機械組件提供了穩定的鎖定性能和與配接導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 產品系列

Amphenol ICC 產品中共有四個 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，因此成為車載應用的絕佳之配。

5.USB4 連接器的應用

這些插座將在存儲、汽車信息娛樂、家庭娛樂、對接設備、外設接口（顯示器/顯示屏、投影儀）以及其他消費應用（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，實現了巨大的通用性。

6.結語

USB Type-C 連接器具有處理多種高速協議和功率水平的能力，隨著用戶尋求更快數據傳輸率、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境和應用中得到更廣泛的采用。為了幫助設計者使用，Amphenol ICC USB4 插座的設計超過了基本的 USB-IF 規范，減輕了 EMI 的影響，并確保了在多次插拔后和寬溫度范圍內保持良好連接。

審核編輯 黃宇