FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
La tecnologia si evolve con un ritmo sempre più veloce e il mercato premia i soggetti che sanno anticipare le tendenze.
La riduzione dei cicli di sviluppo aumenta progressivamente l'importanza di tutti le attività necessarie per l'introduzione di un prodotto sul mercato, in particolar modo la validazione progettuale e la verifica di conformità agli standard.
A fronte di una forte pressione per accelerare la commercializzazione dei prodotti, le tecnologie di ultima generazione, come USB Type-C, necessitano di effettuare dei test molto più complessi che in passato.
La conoscenza della struttura e del funzionamento del connettore USB Type C agevola l'identificazione delle problematiche che richiedono procedure di test, strumenti di misura e accessori per il collaudo di nuovo tipo. La mancata conoscenza di questi aspetti può comportare un aumento dei tempi di test di oltre 2 mesi e un costo potenziale che può facilmente superare il milione di euro.
Se il tuo dispositivo dotato di interfaccia USB non riuscisse poi a superare le prove di conformità durante uno dei workshop dedicati ai test di interoperabilità, potresti dover sostenere ritardi e costi ancora superiori.
La Figura 1 mostra il ricco insieme di funzionalità supportate da un connettore USB Type C a 24 pin.
I pin di alimentazione, VBUS e GND supportano fino a 5 A / 20 V / 100 W.
Le quattro coppie di pin dedicati e trasmissione / ricezione (TX / RX) consentono di utilizzare 1, 2 o tutti e 4 i canali simultaneamente per la trasmissione dati, fino a una velocità massima di 20 Gbps per canale.
Le linee CC1 e CC2 gestiscono la configurazione dell'interfaccia del connettore fornendo tre funzioni: gestione della configurazione di orientamento, alimentazione del cavo e canale di comunicazione per l'erogazione di potenza.
I pin SBU1 e SBU2 sono canali di comunicazione su banda laterale (sideband) e mettono a disposizione delle connessioni aggiuntive utilizzabili con protocolli diversi da USB.
Un collegamento simultaneo a standard USB 2 (D +, D-) può essere utilizzato per supportare le normali comunicazioni USB 2 o come collegamento supplementare dedicato alle informazioni per l'erogazione di potenza.
I due contatti D+ sono collegati tra loro, così come i due contatti D-, onde poter inserire il connettore con un orientamento qualsiasi.
Figura 1. Specifiche USB Type-C a 24 pin.
La funzione di erogazione dell'alimentazione (PD, Power Delivery) e il relativo protocollo di comunicazione gestiscono dinamicamente l'allocazione della potenza elettrica, regolando la tensione e la corrente e stabilendo i ruoli di fornitore/utente (producer/consumer) per tutti i dispositivi connessi al bus.
I dispositivi possono richiedere l'erogazione dell'energia necessaria al loro funzionamento ed ottenere più potenza quando una specifica applicazione lo richiede.
Il sistema di alimentazione PD è bidirezionale, dando la possibilità ad un dispositivo alimentato di fornire a sua volta l'alimentazione anche ad altri dispositivi. La modalità PD consente anche alle interfacce USB Type-C di supportare anche altri standard, come DisplayPort (DP) o Thunderbolt (TBT), attraverso la modalità di comunicazione alternativa detta Alt Mode.
I progettisti ed i tecnici del collaudo devono affrontare numerose sfide nel passaggio dal classico standard USB A/B USB a 4 pin a quello previsto per connettore USB Type-C a 24 pin.
Lo standard USB Type-C ha introdotto diverse modifiche che permettono di superare le limitazioni presenti nei connettori/cavi USB di tipo A / B e che permettono di ottenere maggiori funzionalità nei prodotti conformi alle specifiche USB Type-C.
Comprendere le sfide da affrontare e le soluzioni di misura e collaudo disponibili può aiutare a garantire una corretta integrazione delle interfacce USB Type-C nei dispositivi elettronici e il passaggio delle prove di conformità.
La capacità del protocollo PD di gestire dinamicamente le diverse possibili configurazioni dell'alimentazione, combinate con l'ulteriore difficoltà di tener conto della continua evoluzione delle specifiche, da USB 2.0, USB 3.1 Gen 1 e Gen 2 e PD, rendono molto più impegnativa la validazione delle interfacce USB Type-C rispetto a quella dei bus USB tradizionali.
I test di conformità continuano a prevedere tra catergorie principali di prove: sull'alimentazione, sul livello di collegamento fisico (PHY) e sui protocolli.
I principali parametri che i progettisti devono prendere in considerazione nei test includono diversi livelli di tensione, il meccanismo di ricarica del dispositivo, le funzionalità del cavo e la determinazione dello stato del dispositivo (fornitore o consumatore di energia e dati).
La Figura 2 mostra uan configurazione nella quale la porta host e la porta device possono funzionare svolgendo entrambi i ruoli (DRP - Dual Role Port) secondo quando previsto nello standard USB Type-C, dove i ruoli tra dispositivo di tipo host e di tipo device possone essere scambiati.
Lo stato di una porta DRP, che funziona un un determinato momento come porta di tipo host o di tipo device, viene gestito tramite la linea CC come parte dell'infrastruttura di alimentazione gestita tramite il protocollo PD.
Il debug del protocollo PD è uno dei maggiori problemi da affrontare, poiché la corretta caratterizzazione richiede l'accesso alle linee CC e al segnale VBUS.
L'infrastruttura di alimentazione Power Delivery USB prevede che i dispositivi possono selezionare per il proprio funzionamento vari livelli specifici di tensione/corrente, rendendo molto importante la capacità di verificare correttamente i diversi livelli di alimentazione durante le procedure di inizializzazione dei dispositivi.
Figura 2. Realizzazione completa delle funzionalità USB Type-C.
Un esempio di configurazione per effettuare i delle interfacce USB a livello fisico include un oscilloscopio, le sue sonde, una sonda di corrente, il software per l'analisi del protocollo PD USB, attrezzature e accessori di collegamento e un controller del sistema PD.
Con una velocità di trasferimento dati di 300 kHz, si consiglia l'utilizzo di un oscilloscopio Keysight Infiniium da almeno 500 MHz dotato di un'ampia memoria di acquisizione che permette di registare l'intero scambio di pacchetti di dati previsti dal protocollo PD.
Sebbene i segnali di controllo in gioco siano prevalentemente in continua (DC), la maggior parte di essi ha delle caratteristiche da verificare in alternata (AC) utlizzando oscilloscopi con larghezza di banda adeguata.
È consigliabile utilizzare la funzione di offset della sonda per visualizzare i transitori del segnale nell'analisi del segnale di alimentazione a 5 V CC, in quanto la presenza di un filtro di blocco della continua impedirebbe di osservare le transizioni a bassa frequenza.
Le specifiche USB Type-C introducono molte nuove sfide da affrontare nell'esecuzione dei test su trasmettirori e ricevitori.
Tra i requisiti fondamentali per effettuare le prove sui trasmettitori vi è la necessità di valutare in modo rapido e accurato il diagramma ad occhio, la temporizzazione degli impulsi LFPS (Low Frequency Periodic Signaling) e del protocollo LBPM (LFPS Based Pulse Width Modulation), il profilo di modulazione SSC (Spread Spectrum Clocking) trasmesso, i segnali SCD (SuperSpeed Capabolity Declaration) e le caratteristiche di de-enfasi e di pre-shoot del segnale trasmesso.
Per effettuare tutte le prove sui ricevitori è invece indispensabile disporre di un generatore di segnali estramemente flessibile e la capacità di rilevare in modo affidabile i bit errati.
Le prove di conformità su trasmettitori e ricevitori richiedono l'utilzzo di pattern di test specifici che vengono generati durante l'esecuzione dei test di conformità, mentre le misure vengono eseguite con un tool noto come SigTest1.
Ogni singolo test di conformità presenta sfide singolari da affrontare. Inoltre, i test di conformità secondo le specifiche pubblicate da USB Implementers Forum (USB IF) richiedono la verifica considerando molte condizioni di carica e ricarica previste, che aumentano il numero di prove che i tecnici devono configurare ed eseguire per ciascun dispositivo da validare.
Per effettuare i test di conformità sui trasmettitori conformi agli standard USB 3.1, DP 1.3, TBT 3 e MHL, viene suggerito l'utilizzo di attrezzature di test come quelle dei modelli N7015A e N7016A Type-C di Keysight, da utilizzare con gli oscilloscopi Keysight Infiniium (vedere la Figura 3).
Questa soluzione offre la migliore integrità del segnale con una larghezza di banda di 20 GHz (a -3 dB) e può funzionare con la funzionalità de-embed su segnali fino a 30 GHz. Le fixture di test Includono un dispositivo di interfaccia Type-C che gestisce il connettore "flip" e fornisce test point e accessi al segnali per effettuare le misure sul trasmettitore e sull'erogazione di potenza elettrica.
Figura 3. Attrezzature di test N7015A e N7016A di Kesyight per interfacce USB Type C ad alta velocità e a bassa velocità.
Lo strumento BERT (Bit Error Rate Tester) ad alte prestazioni M8020A J-BERT di Keysight per segnali fino a 16 Gb/s integra tutte le funzionalità necessario per effettuare le prove, tra cui de-enfasi, generatore di pattern, equalizzazione lineare continua (CTLE), equalizzazione (DFE), generazione flessibile di strutture di pattern e sequenze.
La soluzione Kesyight per il test dei ricevitori USB 3.1 garantisce risultati di misura accurati e ripetibili, grazie alle sorgenti di jitter incorporate e calibrate presenti nello strumento J-BERT M8020A (jitter casuale, jitter periodico, SSC), l'emulazione precisa della de-enfasi pre- e post-cursore e la visualizzazione delle tracce relative all'interferenza inter-simbolica (ISI).
Le complesse specifiche del canale trasmissivo USB Type-C, che prevedono l'utilizzo di connettori simmetrici, velocità di trasferimento dei dati molto elevata, alta potenza, svariate modalità di trasmissione dati e la garanzia di compatibilità con le versioni precedenti, si traducono in un gran numero di configurazioni diverse ammesse, che devono essere tutte verificare per ottenere la conformità alle specifiche USB.
Le prestazioni del canale trasmissivo in varie configurazioni sono inoltre influenzate dalle caratteristiche di perdita, riflessione e dai fenomeni di diafonia (cross-talk).
Per rimuovere gli effetti delle attrezzature di test, tenere conto dei nuovi effetti delle risposta del canale sul segnale USB Type C (Figura 4) e per gestire i livelli EMI e RFI nel canale durante l'esecuzione dei test di conformità, occorre adottare dei metodi di misura e di prova più rigorosi rispetto a quelli utilizzati in passato.
Figura 4. La risposta del canale richiede un cambiamento della metodologia di test, passando dalle tradizionali misure parametriche a quello della valutazione delle caratteristiche dell'occhio stressato (stressed eye).
I tradizionali test di conformità su cave e connettori utilizzavano un analizzatore di reti vettoriale VNA per l'analisi nel dominio della frequenza e un oscilloscopio TDR per l'analisi nel dominio del tempo.
Una nuova soluzione consigliata da Keysight prevede l’utilizzo dell'analizzatore di reti con analisi avanzata nel dominio del tempo (opzione TDR) per ottenere una soluzione integrata capace di misure tutti i parametri previsti dalle prove conformità.
Un modulo di calibrazione elettronica (ECal) a microonde, N4433A, controllato dall'interfaccia USB presente sullo strumento ENA, viene utilizzato per la taratura dell'analizzatore di reti e per rimuovere gli effetti delle attrezzature e degli accessori necessari per eseguire le misure.
Keysight Technologies è l'unico produttore di strumentaizone in grado di offrire soluzioni di test per interfacce USB Type-C dotate delle seguenti caratteristiche:
Keysight partecipa attivamente ai principali gruppi impegnati nella definizione degli standard e nell'organizzazione dei relativi workshop che promuovono l'interoperabilità, così da essere sempre pronta a commercializzare soluzioni ottimizzate che rispondono alle esigenze del mercato.
Oltre ad essere certificata per tutte le tecnologie Type-C, la soluzione Keysight è anche l'unica in grado di offrire:
*Erik Babbé è Market Development Manager EMEA di Keysight Technologies
