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 VBUS 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–.
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 VBUS. USB PD имеет ряд стандартных комбинаций уровней напряжения и тока, которые устройства могут выбирать для работы, поэтому важно протестировать решение со всеми этими уровнями.
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.
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.
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].