【技術文章】USB4® LRD Active Cable主動線纜測試與認證

Granite River Labs, GRL
張靜宜 Sandy Chang

 

  

          目前支援USB4速度40G(20Gx2)的被動線纜長度最長約為1公尺,對於外接至大尺寸螢幕或VR應用等需要高速且更長線纜的應用,就需要用到主動線纜。

          USB4 Active Cable規格依循USB Type-C Connector and Cable Spec,目前最新版本為Rev.2.1,新增EPR(Extended Power Range)Cable定義,並將過往Active Cable的ECN(Engineer Change Notice)整合到此版本。我們就來了解一下USB Type-C主動線纜。

          本篇介紹USB4主動線纜,如需被動線纜介紹及測試請參考另一篇技術文章「USB4 被動線纜測試與認證(USB4 Passive Cable)」。

 

» USB Type-C主動線纜,主要有3個類型

  1. USB 3.2 Short Active Cable
  2. USB4 Short Active Cable
  3. USB 3.2 Optically Isolated Active Cable (OIAC)

          其中OIAC是長度達50公尺的光纖線纜,目前定義最高可支援USB 3.2 Gen2速度(但不支援USB 2.0與VBUS 供電),主要用於工業端、機器視覺、遠端傳感器、專業視頻和醫療應用等。而USB4 Linear Optical Active Cable電氣規格則尚未定義;接著來介紹Short Active Cable的部分。

表 1

 

» Short Active Cable主動線纜重點

  • 長度在5公尺以內
  • 需支援Full-Feature Type-C與USB PD 3.0 eMarker
  • 需支援雙向及正反插
  • 依支援能力,可分為USB 3.2與USB4 主動線纜
    • USB 3.2主動線纜:
      • 必須支援USB 3.2 Gen 2×2(10GHz雙通道)
        *不允許僅支援單通道(x1)的主動線纜
      • Alt-mode可選擇性支援
    • USB4主動線纜:
      • 必須支援所有USB 3.2 與USB4速度(雙通道)
      • 且必須支援TBT3 Alt-Mode
  • Vbus, Vconn, CC及USB 2.0的線材要求,與被動線纜要求一致
  • 主動線纜需由Vconn供電

          Active Cable為含有Repeater元件,如re-timer 或re-driver,主要針對高速訊號 Tx1、Tx2、Rx1、Rx2。其中Re-timer開發較為複雜且價格昂貴。而以Re-driver為主的 Linear Re-Driver線纜(簡稱LRD),擁有低複雜性、低功耗、低成本的特性,雖然是後期才加入USB生態系統、納入USB Type-C規格,LRD線纜卻是率先推出於市面上,如支援40Gbps兩公尺的Thunderbolt 4線纜即是支援USB4的LRD線纜。

 

» Linear Re-Driver Cable架構

          LRD cable主要元件包括 Rx Equalizer與Output Driver,分別負責補償線纜Cable loss、調整DC Gain,以及調整輸出Pre-emphasis與訊號的大小,如下圖。

圖 1:Linear Re-Driver Cable 架構

 

» LRD cable 設計考量

          LRD Cable因不具備CDR(Clock Data Recovery),線纜輸入端接收到的Jitter以及Noise會轉嫁到線纜的輸出端;同時Rx EQ也有可能會將高頻雜訊放大;Paddle Card因加入主動元件,會有阻抗不連續的問題;以及較長的線纜,在生產過程中容易造成長度不匹配,P-N skew大,導致AC Common mode超過規範等,基於以上幾點設計時須考慮以下:

  1. 線纜造成的高頻雜訊
  2. 線纜內部EQ是否適當的均衡,信號是否有不足或是過度均衡?
  3. 主動線纜內部額外的元件的阻抗匹配
  4. 線纜高速對的P-N skew

 

» LRD Cable功能支援及eMarker的宣告

          在USB Type-C Connector & Cable Rev 2.1規格Table 6-3載明(如表2),USB4被動線纜與USB4主動線纜 (OIAC除外),都必須支援USB4、USB3、USB2與TBT3。

          其中比較特別的是USB4 LRD Cable為Active Cable,但eMarker在ID Header VDO設定上,B29…B27須宣告為Passive Cable (011b),並使用Passive Cable VDO進行宣告。因為LRD Cable是後期才納入USB規格,主要為了相容目前市面上TBT3的產品,須以Passive宣告,雖然Product Type宣告為Passive,在USB4 Discover溝通過程,也會接續進行TBT3 Discover_SVID (0x8087),進而判斷是否為 “USB4 with TBT3 Gen3 Active Cable”。

表 2:USB4線纜總覽

 

» USB-IF發布新的USB4 Logo與Icon

          USB-IF上週在西雅圖舉辦USB DevDays 2021研討會,結合EPR(Extended Power Range)的規格發布新的USB Type-C Cable額定功率的Logo與Icon如下表,讓使用者可以快速辨別USB產品支援的速度及功率。原先支援100W(20V/5A)的Cable已不再使用;支援5A的Cable則必須支援EPR 240W(48V/5A)。

表3: New Certified USB Type-C Cable logo and Icon  (來源:USB DevDays 2021)

 

          新USB4 Cable Logo範例如下圖:

圖2: USB Type-C EPR Cable logo and Icon  (來源:USB DevDays 2021)

 

          LRD cable主動線纜增加了主動元件Re-driver,讓線纜支援長度更長,在實際使用以及認證測試的概念是LRD cable應該與被動線纜性能一致,甚至更好。也就是說,在相同的測試環境設定下,LRD cable與被動線纜作比較,必須等於或優於被動線纜。

LRD認證測試項目包括:

  1. USB-C Functional 測試
  2. USB PD E-Marker 測試
  3. Active Cable Power:IR Drop 與功耗
  4. Thermal 過熱保護
  5. LRD Electrical 電氣特性測試
  6. LRD Cable 相容性測試(仍在討論中)

 

詳細的LRD Cable Electrical測試如下:

1. USB-C Functional 測試

依據USB-C Function 測試規格,針對Cable測試如下:

  • TD 4.1.3 Unpowered Cable Test
  • TD 4.13.5 Cable EnterUSB and Data Reset Test
  • TD 4.14.x
    • TD 4.14.1 Cable Vconn Swap Test
    • TD 4.14.2 Cable Reset Test
    • TD 4.14.3 Cable Alternate Mode Test
    • TD 4.14.4 Cable USB 3.2 Test
    • TD 4.14.5 Cable USB4 Test

 

2. USB PD: E-Marker 測試

依據USB PD CTS,測試以下3大項目與Cable相關測試:

  • Common Procedures and Checks
  • Physical Layer Specific Tests
  • Protocol Specific Tests

LRD Cable 需支援TBT3,須確認在TBT3宣告以及SOP’回應是否正確

  • Cable SOP’ Discover Identity response
    • [ID Header VDO] B26 (model operation) set to 1b (alt mode)
    • [ID Header VDO] B29..27 (product type)set to 11b (passive cable)
    • [Cable VDO] B2..0 (USB highest speed) set to 010b (USB3.2/USB4 Gen2)
  • Cable SOP’ TBT Discover Mode VDO response
    • .19 (rounded/rounded & none) set to 01b (both)
    • B21 (Optical/none) set to 0 (none)
    • B22 (Re-timer/Re-driver) set to 0b (Re-driver)
    • B23 (Uni/Bi-directional) set to 1b (Uni)
    • B25 (Active/Passive) to 1b (Active)

 

3. Active Cable Power Requirements

3.1. VBUS和 Ground 線纜的IR Drop與被動線纜規格一樣

  • VBUS IR Drop:≤500 mV
  • Ground IR Drop:≤250 mV

3.2. 主動線纜的供電主要是透過VCONN,消耗功率最高限制

  • VCONN 消耗功率Power ≤1.5W

 

4. Thermal Test

  基於安全考量,主動線纜內部必須設置有溫度感應。當主動線纜塑料外殼表面溫度達到80˚C或金屬表面溫度達到55˚C,則必須停止USB 3.2/USB4資料傳送。

  另外,主動線纜插頭的表面溫度,外殼表面最高工作溫度不得超過環境溫度30˚C,或金屬外殼表面溫度15˚C。

  而影響Active Cable塑料外殼表面溫度(TS)主要有連接的Host與Device主板的工作溫度(TMB)、cable內的主動元件、及當下的環境溫度(TA)。在實際認證測試,主要分為兩部分,表面溫度(Surface Temperature,TS),以及過熱保護(Thermal shutdown)。測試環境示意如下圖:

圖3: Thermal Shutdown過熱保護測試連接示意圖

 

4.1 Surface Temperature (Ts) 表面溫度

  如圖3測試連接,在室溫環境下,透過Thermal Test Fixture Heater board模擬Host/Device主板,讓TMB升溫到(TA+ 25˚C),然後接上Active Cable並進行Host到Device的全載設定(包括同時高速資料傳送,以及PD 100W負載)。此時利用紅外線攝像先找出cable plug溫度最高區域(圖4),將 “Thermal Couple” 貼片黏貼於此高溫處進行溫度測試(圖5)。檢測cable plug塑料外殼表面溫度,測試結過判定: TS < TA +30˚C

 

圖4: 紅外線攝像找出最高溫區域/圖5:“Thermal Couple”貼片黏貼到最高溫區域

 

4.2 Thermal Shutdown 過熱保護

  過熱保護的測試環境同上,另外包覆加熱貼片在cable plug塑料外殼上(圖6),在室溫環境下,開始對加熱貼片進行加熱,當溫度到達 85˚C時,進行測試結過判定:Active Cable需停止USB 3.2/USB4資料傳送。

圖6: Flexible heater 加熱貼片

Note: Active Cable Thermal 測試設備及相關配件,洽詢 Od.Liao@luxshare-ict.com

 

5. Electrical Test 電氣特性測試

  LRD線纜,在USB 2.0, SBU,CC線纜配置仍採用被動線纜,測試方法及規格,與被動線纜相同。在高速訊號對Tx1/Rx1/Tx2/Rx2配置有Re-driver主動元件,測試規格依照LRD Active Cable CTS 0.8版,測試項目如下主要可分為下列三大項目:

  • Frequency Domain 頻域測試
  • Time domain – Cable Stand-Alone線纜本身測試
  • Time domain – Cable Output Eye Test線纜輸出端眼圖測試

5.1 Frequency Domain 頻域測試

– Integrated Return-Loss (IRL)
– Integrated Multi-Reflection (IMR)
– Channel Operation Margin (COM)

頻域測試項目,測試方法與被動線纜相同,以向量網路分析儀VNA擷取S參數,高速差動對共8個S4P 檔案(Tx1/Rx1/Tx2/Rx2,雙向),並透過Get_iPar_v0p91a 軟體進行分析。

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圖7:向量網路分析儀VNA擷取S參數連接圖

 

5.2 時域–線纜本體測試 (Cable Stand-alone Test)

– Cable ILfit Mask(DC/f1/Nq/f2/f3/WB):插損
– OUTPUT_NOISE(𝝈𝒏):輸出噪聲標準差(不包含非線性噪聲)
– SIGMA_E(𝝈𝒆):輸出非線性噪聲標準差
– Cable CM_NOISE:AC共模

線纜本體測試(不含系統ISI及抖動),主要測試線纜本身插損,輸出噪聲,非線性噪聲,及AC共模。測試連接如下圖,訊號產生器在TP2輸出(如表4)Pattern、Swing、以及無Jitter、無SSC、無Tx EQ設定下,例如 “Pattern: PRBS15, Swing 800mV, SSC off, Jitter off, Preset 0”,先接上Worst-Case被動線纜進行測試,示波器擷取波形*.bin,接著換上LRD Cable測試,透過軟體進行以下參數分析,然後比較LRD Cable測試結果必須等於或優於Passive Cable。測試需涵蓋USB4 Gen2/Gen3,以及USB 3.2 Gen2等三個速度。

註:“Worst-Case 被動線纜” 指的是線纜規格內最大插損的被動線纜,如1m的USB 3.2 Gen2被動線纜,2m的USB4 Gen2被動線纜,以及0.8m的USB4 Gen3被動線纜。

圖8:線纜本體測試連接圖

 

表4:線纜本體測試環境設定要求

 

5.3 時域 – 線纜輸出眼圖測試(Cable output Eye Test)

5.3.1. USB4 Gen2/ Gen3 測試:

線纜輸出眼圖測試(含系統ISI及抖動等)連接如下圖,測試環境與USB4 Host/ Device Rx接收端認證測試環境相同,需要先進行USB4 Rx測試環境校正,可以直接透過GRL-USB4-Rx Test APP,如圖9,自動化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator,搭配Keysight或Tektronix示波器進行USB4 Rx測試環境校正。

圖9:GRL USB4 Rx自動化測試APP

 

校正完後,測試時先接上“Worse Case被動線纜”,測試條件設定包括在Pattern Gen輸出 PRBS31,設定USB4 Preset(共16組),訊號經過線纜後,在示波器擷取五次波形,每組高速對需擷取80個波形;然後在相同的測試條件下,取下被動線纜,換上LRD Cable後,在示波器擷取波形;然後以USB4 SigTest軟體進行眼圖、眼寬、及眼區域測試分析。

圖10:USB4 Gen3/Gen2線纜輸出眼圖測試連接

USB4 Gen2/Gen3測試結果的判定 (5次擷取的平均值):
LRD Cable最佳眼圖區域面積 ≥ Passive Cable最佳眼圖區域面積
而且其中 LRD Cable眼寬 ≥ 0.9 * Passive Cable眼寬

 

5.3.2. USB 3.2 Gen2測試:

測試環境與USB 3.2 Rx接收端認證測試環境相同,需要先進行USB 3.2 Rx測試環境校正(如圖11),可以直接透過GRL-USB3-Rx Test APP,自動化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator,搭配Keysight或Tektronix示波器進行校正。

圖11:USB 3.2 Gen2線纜輸出眼圖測試連接圖

 

校正完後,在USB 3.2 Gen2 Rx測試條件,選用Rx校正在 Pj@100MHz的環境,由Pattern Gen透過治具,經過LRD Cable後,示波器擷取五次波形,再以USB3 SigTest軟體,及7個CTLE template進行分析。(USB3 SigTest初始只有一個CTLE_5dB template, 需要另外手動設定補齊CTLE_0dB ~ CTLE_6 dB template)

USB 3.2 Gen2測試結果的判定,(5次擷取的平均值):
LRD Cable最佳眼圖區域面積 ≥ Passive Cable最佳眼圖區域面積
而且其中 LRD Cable眼寬 ≥ 0.9 * Passive Cable眼寬

 

» 結論

          USB Type-C的應用廣泛,在電腦及相關周邊裝置,還有被動線纜與主動線纜等,有些僅支援USB 2.0與充電、有些可支援USB 3.2、USB4;都是USB Type-C連接器,支援的能力、速度不盡相同,很容易讓使用者混淆。USB協會也著重於使用者體驗,致力於一條Type-C線纜,能滿足所有應用邁進,在主動線纜部分,規範必須支援雙向傳輸、支援正反插,支援雙通道(x2)等。以USB4 LRD主動線纜為例,可以支援USB4,USB 3.2,USB 2.0,Thunderbolt 3,以及PD充電等,滿足一條線搞定USB Type-C應用。

            USB Type-C主動線纜與被動線纜最大差異是有無主動元件,這也造成在測試高速差動訊號的方法不同,主動纜線測試採用現有USB4 Host與Device的高頻測試的方法,使用高頻訊號產生器與高頻示波器來進行測試,測試環境及手法都相對複雜,GRL在USB4測試上提供自動化測試解決方案,可以降低測試複雜度,在調整EQ、Gain等參數及協助客戶除錯有豐富經驗,更可以提供USB4 Host 與Device,USB4 Passive Cable,與USB4 Active Cable等測試認證服務。

          GRL專業認證團隊,在台北、上海、東莞等地皆有認證實驗室,協助客戶從開發到取得認證,秉持專業與熱忱為您服務,請各位先進不吝指教。

 

 

參考文獻

  • USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
  • USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS, Revision 2.1b, June 2021
  • USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility Requirements Spec, Version 1.0, January 2021.
  • USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility CTS, Revision 1.0, January 2021.
  • USB Power Delivery CTS, Revision: 1.2, Ver 2, June 20, 2021
  • USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88

 

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作者
GRL 台灣技術總監 張靜宜 Sandy Chang

Thunderbolt™ 4, USB4, USB3, DisplayPort, HDMI, PCI Express等高速介面測試領域的專家,擁有業界十年以上專業經驗,現擔任 GRL 技術總監,帶領 GRL 各測試團隊。

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         發佈日期 2021/10/06 AN-211006-TW