剖析线缆与连接器技术标准 掌握认证测试要点

        有鉴于线缆与连接器会因为高频信号、机械特性、电气性能以及环境变化等因素影响其性能，开发商需一套完整的测试认证计划与专业实验室的协助与咨询，才能确保产品符合质量条件、完美展现功能需求。在此篇认证技术文章中，百佳泰专家将深入浅出介绍不同规格的USB在认证上的重点，并针对SAS 4.0、PCIe最新规范接口的OCuLink、及光纤线缆AOC（Active Optical Cable）等不同接口的产品，简单扼要解释其特点。此外，我们也会对电气测试（Electrical Test）、机械测试（Mechanical Test）、及环境测试（Environmental Test）所需要的仪器和测试内容做一些基本的介绍。
USB 2.0 & 3.0认证测试介绍
依照USB协会（USB-IF）的规范，USB 2.0的测试流程，分为八种测试类别（group）。根据线缆与连接器的不同产品性质做为区分，依序接受电气性能、机械特性、及环境变化的缜密测试。而电气测试、机械测试、及环境测试又各自包含了许多不同的子测项。因此，受测产品会接受从数十小时到长达数百小时不等的测试。针对系统业者来说， USB 2.0连接器得接受数百小时的环境测试，内容包含温度寿命试验、混合气体腐蚀试验、热冲击试验、及湿度试验。至于USB 2.0线缆（Cable assembly），因为不需环境部份的测试，因此整体测试时间会相对地较短。
USB 3.0，又号称为Super Speed USB，速度最高能支持5Gbps，因此测试项目较多。至于USB 3.0的线缆不用接受环境测试，所以认证测试时间上相对来说不会那么久。在认证规范上，并不是所有的两端有连接器配备的线缆就可以称作为USB线缆，USB协会对此有严格的规定，唯有USB协会制定的连接器样式才能被视为USB 连接器。也唯有USB协会认可的线缆类别才可以送测取得认证及Test ID（TID）。不过如果厂商的产品是属于标准外规格的话，百佳泰的客制化服务团队也将协助客户与协会进行讨论与争取能够得到协会允许进行产品认证。
根据协会规定，任何一个类别的测项失败的话，该类别的全部测项得重新测试，这不仅有出货时间与金钱成本上的压力，要如何发现问题的症结，更是厂商最在意的事。因此，拥有一个值得信赖的验证测试伙伴是一件非常重要的事。

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第1页：USB 2.0 & 3.0认证测试介绍
第2页：新规线缆总览(1)
第3页：新规线缆总览(2)
第4页：线缆与连接器验证概念


       
新规线缆总览
● USB 3.1
USB 3.1被称为USB 3.0的次世代，拥有高达10Gbps的传输速度，并能向下兼容于2.0与3.0。因为其高速关系，在连接器铁壳上正反两面共加了四个grounding spring，来抑制EMI与RFI的问题。表一为USB 3.0 与3.1线缆的规格需求比较


表一：USB 3.0裸线缆与USB 3.1裸线缆比较

从表一可以看到USB 3.1裸线缆和USB 3.0裸线缆在线材特性阻抗试验（Characteristic Impedance Test）和传递衰减试验（Insertion Loss Test）测项上有明显的差别，显示为更为严格。而不仅是在线缆部分，USB 3.1相关的线缆配件、和连接器的测试规范都较为严谨。
● USB Type C
有鉴于Apple的Lightning技术正反两面都可以使用，USB协会也正在开发Type C，尺寸接近于USB 2.0 Micro B，且也计划提供高瓦特数供电传输功能（power delivery）。Type C Receptacle分为Full Featured版本和USB 2.0版本，在Full Featured版为单面12 pin、双面24 pin的设计。2.0版本则将Super speed pairs移除 ，支持正反面连接用。在Type C plug部份只有Full Featured版本，藉由不同的裸线来区别Full Featured & 2.0。此外，Type C被视为未来手持装置的充电接口，预计到2016年时，包含现在正使用Lightning接口的Apple采用Type C接口的机会也大大的增加，尤其欧盟正式宣布要统一手机的充电接口，其推波助澜之下，将会增加Type C的普及率。同时，相关厂商也要注意虽然协会没有针对转接头做任何认证的要求及规范，但针对Type C和USB 3.1标准Type A的转接头、Type C和USB 2.0 Micro B的转接头，USB协会后续势必将强制规定要通过认证。


图一：左边为Type C至USB 2.0 Micro B转接头；右边为Type C至USB 3.1 Standard A转接头

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● SAS 4.0
现阶段的SAS支持12Gb/s，预计到2016年会变成24Gb/s，而现有的界面将会改版，会有全新的设计。因为带宽加大的关系，其差分对（Differential Pair）也会加多，从原本的四对变成八对。除了高频特性改变之外，原本的机构特性、环境特性还是会和SAS 3.0一样。协会预计2016年前会正式公布详细规格。
● OCuLink
待协会定义完OCuLink的规格之后，期许OCuLink能够支持PCIe Gen 3的8Gb/s、PCIe Gen 4的16Gb/s，且能同时支持光纤版本和铜线版本，并能运用在内部以及外部用途上。协会希望未来PCIe SSD在内部运作时，能透过OCuLink连接Controller Card和系统。
● Active Optical Cable (AOC)
号称下一代线缆/连接器的AOC，较铜线轻薄，因为其光纤的特性可以克服铜线的长度限制。AOC并不会因为线缆长度的增加而影响其性能表现（performance），例如：200米的HDMI光纤线缆跟1米的HDMI光纤线缆，其性能表现依旧是一样的。光纤所费比铜线高昂，但是并不是贵在线缆的本身，而是两端的光电组件和IC。


表二：五种不同高速接口铜线与光纤线缆传输长度比较

由下表三的眼图（Eye Diagram）分析可以看到，铜线会随着线缆长度的增加，出现信号传输衰竭的现象；而光纤线缆不管是20m或是100m，其性能表现并不会受到影响。然而，即使光纤线缆能够支持长米数应用，协会也看好未来趋势将会取代长米数的铜线线缆外部运用，不过因为光纤现有技术上较不能搭配在系统内部的折弯与挠曲等配置，所以尚无法在内部线上做广泛的运用，所以铜线线缆并不会被完全取代，将与之一起并存在市场之上。


表三：铜线线缆与光纤线缆的眼图比较

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线缆与连接器验证概念
在线缆与连接器质量验证测试上，我们专业测试团队建议五个重点项目：
● 电气测试 Electrical Test （含高频测试 High Frequency）
● 机械测试 Mechanical Test
● 环境测试 Environmental Test
● 认证与兼容性测试 Compliance Test Service
● 情境模拟测试 Scenario Test Service
我们以环境测试作为举例：一项产品的效能、稳定度与整体质量可能受到诸多环境因素的影响，像是温度、湿度、高度、机械冲击与震动等等，对许多制造厂商而言，要掌握产品在不同情境下的真实表现与容限更是非常棘手的难题。因此，厂商需要专业的实验室及设备仪器，能够完整重现这些产品在真实世界中可能遭遇的种种状况，并点出问题风险所在。
而上述的五个重点测试项目中，“情境模拟测试”是属于综合其他三种项目的混合型测试。现实环境总是复杂且残酷的，为了要确保厂商的产品质量贴近于真实世界，我们设计了一些情境测试，模拟真实的环境状况，进行电气、机械和环境测试。如图二所示，上山下海的汽车比一般的消费型电子产品更会接触到不同的极端使用环境，因此车机里面的线缆需要接受一系列包含：温度、湿度、高度、震动、机械冲击…等较为严苛的试验，才能忠实呈现在不同使用情境之下时，产品的质量是否能维持效能表现，以免日后产品产生问题会有更高的回收成本与客诉问题。


图二：情境模拟测试─模拟汽车在真实情境的使用状况

不同线缆与连接器有不同的特性，需要完整的高阶测试仪器与环境，诸如端子强度测试仪、线缆摇摆测试器、震荡测试仪、X光测试仪、焊锡性测试仪器、温变冲击试验机、耐压测试仪、蒸气老化与盐水喷洒测试仪等，才能提升测试效率并完整验证产品的质量。


表四：应用在线缆与连接器的测试仪器一览表

百佳泰的线缆与连接器专业测试中心为USB协会（USB-IF）正式授权的“USB线缆与连接器测试实验室（Cable Assemblies and Connector Labs）”，能提供USB 2.0与USB 3.0、3.1规格版本的线缆与连接器完整相符性认证测试，百佳泰也是HDMI协会认可的HDMI线缆专属测试实验室。除了认证测试之外，亦能针对各式不同技术规格的线缆与连接器如HDMI连接器，以及DisplayPort、MHL、SATA等，提供包括高频信号、机械特性、电气性能、及环境变化等类别的精密测试与验证。更多相关信息，欢迎洽询百佳泰service@allion.com，或在线浏览我们的专业线缆与连接器测试服务内容http://www.allion.com.tw/cabcon.html。

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