Особенности тестирования универсального интерфейса USB Type-C

Технологии развиваются все быстрее, и победу одерживает тот, кто умеет опережать конкурентов. Сокращение продолжительности всех циклов разработки означает, что каждый ее этап, включая тестирование и проверку, становится все более ответственным для обеспечения своевременного вывода продуктов на рынок. А поскольку потребность в ускоренном выходе на рынок растет, то новые технологии, такие как USB Type-C, только усложняют тестирование. Понимание особенностей этого интерфейса помогает определить, какие дополнительные тесты следует провести и какие приборы и тестовые оснастки для этого понадобятся. В случае ошибки такое тестирование может затянуться на месяцы, а убытки будут исчисляться миллионами. А если устройство не сможет пройти тестирование по методикам Форума по внедрению USB (USB-IF), то убытки и задержки будут еще больше.

Краткая информация о разъеме USB Type—C

На рис. 1 показан многофункциональный 24‑контактный разъем USB Type-C. Контакты питания V_BUS и GND рассчитаны на ток до 5 А, напряжение до 20 В и мощность до 100 Вт. Четыре дифференциальные линии передачи/приема (TX/RX) позволяют передавать данные по одному, двум или всем четырем каналам со скоростью до 20 Гбит/с на линию. Конфигурационные линии CC1 и CC2 выполняют три функции: определение ориентации разъема, управление мощностью питания, подаваемой через кабель, и выбор канала для подачи питания. Вспомогательные (sideband) контакты SBU1 и SBU2 используются для соединения по протоколам, отличным от USB, — например, для передачи аудиосигналов левого и правого канала. Дифференциальные пары USB 2.0 (D+, D–) могут использоваться как для передачи данных в стандартном режиме USB 2.0, так и в качестве дополнительной линии передачи информации для функции подачи питания Power Delivery. Контакты D+ расположены так, что при установке вилки в розетку они соединяются. То же самое касается и контактов D–.

Рис. 1. Назначение выводов 24-контактного разъема USB Type-C

Технология USB Power Delivery (PD) динамически управляет передачей мощности, регулирует напряжение и ток, а также устанавливает статус «источник» (Source) и «потребитель» (Sink) для всех подключаемых устройств. Устройства могут запрашивать нужную им мощность и даже получать ее дополнительно, когда этого требует определенное приложение. Поскольку PD предусматривает подачу питания в обоих направлениях, то устройство‑потребитель может стать источником питания для других устройств. PD также обеспечивает поддержку интерфейсом USB Type-C других стандартов через альтернативный режим, таких как DisplayPort (DP) или Thunderbolt (TBT).

Проблемы тестирования USB Type—C и пути их решения

При замене 4‑контактных разъемов USB Type A/B на 24‑контактные USB Type-C инженеры-проектировщики сталкиваются с рядом проблем, связанных с тестированием. Интерфейс USB Type-C обладает конструктивными особенностями, устраняющими проблемы, свойственные USB Type A/B. Он также предлагает больше функций и возможностей для поддерживающих его устройств. Поэтому понимание проблем тестирования и способов их решения поможет успешному внедрению USB Type-C в различные приборы.

Технология USB Power Delivery

Способность USB Power Delivery передавать большую мощность, наличие нескольких стандартных профилей по питанию в сочетании с дополнительными проблемами, связанными с развитием спецификаций USB 2.0, USB 3.1 Gen 1 и Gen 2, а также обеспечением соответствия спецификации USB PD, делают тестирование устройства USB Type-C значительно более сложным, чем тестирование традиционного интерфейса USB. Основными задачами тестирования на соответствие стандартам являются проверка характеристик питания, а также физического уровня и уровня протоколов. При тестировании следует оценивать такие аспекты, как различные уровни напряжения, зарядка устройства, функционал кабеля и определение статуса «источник» или «потребитель».

На рис. 2 показаны хост-порт USB и порт устройства USB в качестве портов DRP (Dual Role — «двойная роль»). В интерфейсе USB Type-C они могут меняться ролями. Состоянием порта DRP, независимо от того, действует ли он в качестве хост-порта или порта устройства, управляет линия СС, входящая в инфраструктуру PD. Отладка протокола PD является одной из сложнейших задач, поскольку для ее решения требуется непосредственный доступ к линиям CC и сигналу V_BUS. USB PD имеет ряд стандартных комбинаций уровней напряжения и тока, которые устройства могут выбирать для работы, поэтому важно протестировать решение со всеми этими уровнями.

Рис. 2. Полнофункциональная реализация USB Type-C

Примерная схема тестирования физического уровня устройства включает осциллограф, пробники, токовый пробник, программное обеспечение протокола USB PD, контрольный образец и тестовые оснастки, контроллер PD. Для скорости передачи, соответствующей частоте 300 кГц, рекомендуется использовать осциллограф Keysight Infiniium с полосой пропускания от 500 МГц и с большой длиной записи, позволяющей захватывать весь пакет. Хотя исследуются в основном сигналы постоянного тока, большинство из них обладает характеристиками переменного тока, в силу чего осциллограф должен обладать соответствующей полосой пропускания. Для изучения переходных процессов при анализе сигнала питания 5 В постоянного тока рекомендуется применить смещение пробника, компенсирующее постоянное смещение этого сигнала, поскольку если использовать вход со связью по переменному току, то вместе с постоянным смещением будут подавлены низкочастотные составляющие сигнала.

Передача/прием (TX/RX)

Спецификация USB Type-C вызвала появление множества новых проблем тестирования передатчиков (TX) и приемников (RX). Для успешного тестирования передатчика нужно иметь возможность быстро и точно измерять основные характеристики глазковой диаграммы передаваемого сигнала, временные параметры передачи данных с ШИМ-модуляцией на основе низкочастотных периодических сигналов LFPS и LBPM, профиль передаваемой тактовой частоты с распределенным спектром, сигналы SCD, а также компенсировать предыскажения и отрицательные выбросы. При тестировании приемника ключевыми моментами являются гибкая генерация сигнала и обнаружение битовых ошибок.

Для проверки приемников и передатчиков на соответствие стандартам требуется формирование специальных последовательностей тестовых сигналов, в то время как измерения выполняются с помощью ПО SigTest [1]. Каждый такой тест представляет собой отдельную проблему. Испытания на соответствие требованиям USB-IF предполагают тестирование при различных условиях зарядки и уровнях нагрузки, что увеличивает количество тестов, которые следует подготовить и выполнить для каждого устройства.

Для тестирования передатчика на соответствие требованиям спецификаций USB 3.1, DP 1.3, TBT 3 и MHL рекомендуются тестовые оснастки для Type-C — N7015A и N7016A, — используемые с осциллографами Keysight Infiniium (рис. 3). Эти оснастки обеспечивают наилучшую целостность сигнала в полосе пропускания 20 ГГц (по уровню –3 дБ). Кроме того, возможна математическая компенсация их влияния в полосе до 30 ГГц. Оснастка оборудована вилкой USB Type-C, которая вставляется в тестируемый разъем и обеспечивает снятие сигнала при измерении характеристик передатчика и подаваемого питания.

Рис. 3. Оснастки Keysight для тестирования интерфейса USB Type-C:
а) N7015A — для высокоскоростных сигналов;
б) N7016A — для низкоскоростных сигналов:
1 — линии VBUS и СС на оснастку N7016A через кабель с вилкой USB Type-C;
2 — коаксиальные кабели для высокоскоростных сигналов, согласованные пары для TX2+, TX2–, RX2+, RX2–; 3 — USB 2.0 D+ и D–;
4 — 2-контактная головка для контрольных точек SBU1 и SBU2;
5 — коаксиальные кабели для высокоскоростных сигналов, согласованные пары для TX1+, TX1–, RX1+, RX1–; 6 — вилка Type-C для подключения к розетке на ТУ

Высокопроизводительный (до 16 Гбит/с) тестер коэффициента битовых ошибок M8020A J‑BERT обладает всеми нужными функциями: компенсация предыскажений, формирование тестовой последовательности, непрерывная линейная компенсация (CTLE), компенсация с решающей обратной связью (DFE), возможность создания комбинаций последовательностей, изменение последовательности. Решение Keysight для тестирования приемника USB 3.1 предоставляет точные и воспроизводимые результаты измерений. Они обеспечиваются встроенными в M8020A J‑BERT калиброванными источниками джиттера (случайный джиттер, джиттер периодичности, генерация тактового сигнала с распределенным спектром), точной эмуляцией компенсации предыскажений до и после курсора, а также генерацией межсимвольных помех.

Кабель и разъем

Интерфейс USB Type-C отличается симметричностью разъемов, высокой скоростью передачи данных, большой передаваемой мощностью, различными режимами передачи данных и обратной совместимостью. В силу этого для оценки его характеристик нужно протестировать множество конфигураций. В этих конфигурациях на характеристики влияют потери, отражения и перекрестные помехи. Для устранения влияния тестовой оснастки требуются более жесткие методы, чем применявшиеся ранее. Они позволяют управлять дополнительными аспектами, определяющими характеристику канала (рис. 4), и регулировать уровни электромагнитных и радиочастотных помех в канале USB Type-C во время тестирования на соответствие стандартам USB.

Рис. 4. Исследование характеристик канала требует перехода от традиционной методики параметрического тестирования к анализу по глазковой диаграмме

Традиционная методика тестирования кабеля и разъема на соответствие стандартам включала использование векторного анализатора цепей для исследования в частотной области и осциллографа с динамическим рефлектометром (TDR) — во временной области. Новое рекомендуемое решение объединяет в одном корпусе анализатор цепей Keysight серии ENA и функцию расширенного анализа во временной области (опция TDR), что позволяет выполнять все измерения на соответствие стандартам. Для устранения влияния измерительной схемы и калибровки анализатора ENA применяется СВЧ электронный калибровочный модуль (ECal) N4433A, управляемый через порт USB анализатора ENA.

Компания Keysight Technologies является единственным поставщиком, предлагающим следующие решения для тестирования USB Type-C:

• сертифицированное USB-IF-оборудование и ПО для тестирования приемников/передатчиков USB;
• сертифицированное TBT-оборудование и ПО для тестирования приемников/передатчиков TBT;
• сертифицированное VESA-оборудование и ПО для тестирования приемников/передатчиков DP.

Всестороннее участие в ассоциациях и рабочих группах по разработке стандартов и спецификаций позволяет Keysight Technologies своевременно выводить на рынок правильные решения.

Помимо того что решение Keysight сертифицировано на соответствие всем требованиям Type-C, оно является единственным, способным предоставить:

• инструменты отладки;
• полную автоматизацию — все измерения выполняются одним нажатием кнопки;
• различные объекты данных питания (Power Data Object, PDO);
• автоматическое определение ориентации;
• возможность измерений мощности до 100 Вт.

Рекомендации по применению приведены на сайте [2].