一種USB3.0接口電連接器的設計

，德偉

(沈陽興華航空電器有限責任公司駐117廠軍事代表室，遼寧沈陽，110144)

1 前言

目前，軍事/航天通信、航空、GPS(全球定位系統)以及生產設施的不斷計算機化推動了技術的快速發展和變化，從而也創造出對高速傳輸電連接器的需求。現代戰爭是高技術戰爭，作戰方式體現為具有越來越明顯的海陸、空協同作戰的趨勢，立體化戰爭已成為未來戰爭的必然發展方向，伴隨而來的是軍事信息交換的劇增和反應速度的瞬時化要求。信息化網絡正是這一需求強有力的技術措施，在高速信息傳輸中借用RJ45、USB2.0等民用接口來傳輸數據，把它引入軍事領域，在惡劣環境下進行數據傳輸時民用產品不能實現高可靠性能要求，將民用RJ45、USB2.0等網絡接口，利用成熟的軍用電連接器技術進行改進，實現高速傳輸、高可靠性、耐環境性和抗沖擊性等，同時又具有鎖緊快速、安裝及-接線方便等優點，滿足現代化戰爭對高速信號傳輸的要求。

2 USB3.0介紹

2.1 什么是USB 3.0

USB 3.0也稱作Super Speed USB，它的傳輸速度能達到5Gbps，可提供高達600MB/S的帶寬，并且可以向下兼容1.1版和2.0版。USB 3.0 標準技術規范于2008年11月12日正式發行，版本為1.0。

2.2 USB3.0的接口類型

目前，有以下6種類型的USB 3.0接口；

1) USB 3.0 標準A公插和母座；可以向下兼容USB2.0的標準A 公插和母座。

2) USB 3.0 標準B公插和母座；

3) USB 3.0裝有負載的B公插和母座；

4) USB 3.0 Micro-B公插和母座；

5) USB 3.0 Micro-A公插；

6) USB 3.0 Micro-AB母座；

2.3 USB 3.0特點

USB3.0接口特點如下：

a)速度更快：速率從480Mb/s提升到5Gbps；USB2.0基于半雙工二線制總線，只能提供單向數據流傳輸，而USB3.0采用了對偶單純形四線制差分信號線，故支持雙向并發數據流傳輸。也就是說USB 2.0的輸入輸出線路無法實現同時工作，即輸入信號時無法輸出。而在USB3.0增加的5條線路中，兩條為數據輸出，兩條為數據輸入，并且這四條線路可以實現雙向同時傳輸。

b)更多電力，USB 3.0電耗是USB2.0的三分之一，供電量是USB2.0的2倍；

c)更省電，運作方式由Polling 變成Interrupt，支持待機、休眠和暫停等狀態；

d)USB3.0向下兼容USB2.0(注意：Micro系列不兼容)，USB 3.0接口線材包含三類線芯，其中UTP信號線用來傳輸USB2.0 信號；

e)支持OTG(on-the-go)；即在沒有主機的情況下，實現設備間數據傳輸；為電磁干擾(EMI)提供保護；

f)在USB 3.0 線材里，線芯被要求放入一個金屬封套里。封套和插頭金屬外殼連接，盡可能接近360°，以防止電子干擾。

3 一種耐環境USB3.0連接器設計

鑒于USB3.0接口以上優點，可將其引入軍事領域，在惡劣環境下進行數據傳輸時民用產品不能實現高可靠性能要求，將民用USB3.0接口，利用成熟的軍用電連接器技術進行改進，實現高速傳輸、高可靠性、耐環境性和抗沖擊性等，同時又具有鎖緊快速、安裝及-接線方便等優點。

3.1 主要技術指標

a)工作溫度：-55℃～+125℃；

b) 工作電壓：30VAC;

c) 耐電壓：100VAC;

d)絕緣電阻：≥1000MΩ(常溫)；

e) 振動:15g;

f) 沖擊:30g;

g) 耐鹽霧：500h;

3.2 接口選擇

按實際要求3.0USB插座需要安裝接口尺寸符合某系列方盤插座中21號殼體產品的接口及安裝尺寸，內部可以實現兩路USB3.0信號同時通過。為實現上述要求對USB3.0母口進行市場調研，現階段USB3.0接口包括：A型、B型、Micro-B型、Micro-A型、Micro-AB型等，確定采用USB3.0 A型口，由于內部安裝空間有限，采用雙層USB3.0 A型母口以節省內部安裝空間，USB3.0 A型母口外形見下圖。

圖1 USB3.0 A型母口外形圖

USB3.0 A型母口性能如下：

a)工作電壓30VAC；

b) 耐電壓：常溫100VAC；

c) 絕緣電阻：常溫不小于1000MΩ；

d) 傳輸性能符合USB3.0標準要求；

e) 額定電流：1～4為1.8A,其余為0.25A；

此外，地方高校創新創業教育師資力量薄弱，現有師資缺乏相關的行業知識、科研創新能力和實踐能力，難以滿足傳授跨學科知識的需要，在工匠精神養成方面難以發揮示范引領作用。社會對大學生創新創業關注和支持不夠，鼓勵創新、寬容失敗的良好環境尚未形成。

f) 接觸電阻：1～4為30mΩ,其余為40mΩ。

4 USB3.0連接器設計

一種耐環境雙接口USB3.0連接器，包括耐環境雙接口USB3.0插座、耐環境雙接口USB3.0插頭。

4.1 插座設計

4.1.1 插座結構設計

耐環境雙接口USB3.0插座由方盤殼體、前定位塊、密封圈、后定位塊、擋圈、橡膠墊、USB3.0雙口母座、印制線路板組成，產品結構詳見圖2；

圖2 USB3.0插座結構圖

USB3.0雙口母座通過印制線路板加長轉接，構成焊接模塊見圖3，方便后續接線。印制線路板上可實現電源線與信號線分層設計，避免相互間干擾，差分對信號線通過阻抗匹配設計保證產品線路上阻抗匹配，以滿足高速傳輸信號的完整性。焊接模塊通過前定位塊見圖4、后定位塊見圖5及擋圈見圖6固定在方盤殼體見圖7中，方盤殼體中裝入密封圈可實現插座與插頭對接間隙的密封作用，實現產品防潮濕功能，方盤殼體與插頭間通過三頭螺紋連接可實現產品快速連接。

圖3 焊接模塊示意圖

圖4 前定位模塊示意圖

圖5 后定位模塊示意圖

圖6 擋圈示意圖

圖7 方盤殼體示意圖

4.1.2 電路板設計

由于雙層90°UAB3.0母座接觸對數量多(18點)、間距小(僅為2mm)，所以電路板焊盤間線路條1～4間寬度僅能為0.15mm。但USB3.0的1～4引腳的額定電流為1.8A,其余引腳的額定電流為0.25A，為保證產品額定電流，根據PCB板銅箔厚度與線路走線寬度和通流量關系表及產品尺寸進行選擇，2～3引腳線路條寬0.5mm, 其余引腳線路條寬0.15mm,覆銅厚度選擇70μm。

按表1 USB3.0接口信號定義要求，PCB板疊層設計為4層。GND和VCC各一層，不需要再另外布電地信號線；信號在TOP 和bottom層走線。每個USB3.0的VCC需要電流量為1.8A，根據電流量保證VCC層線寬。USB3.0的3對差分線需要按差分阻抗90ohm走線，每對差分線與其它信號的間距需要大于20mils。USB3.0的差分對布線需要保證完整的電層或者GND層參考，不允許無參考層或者跨溝。USB3.0差分對布線不允許從其它差分對之間穿插走線。

表1 USB3.0接口信號定義表

層疊結構定義：1.TOP(信號) 2.GND 3.VCC 4.BOTTOM(信號)，布線示意圖見圖8。

圖8 布線示意圖

表2 PCB板銅箔厚度與走線寬度和流量關系

圖9 電路板圖

4.2 插頭設計

耐環境USB3.0插頭由殼體、連接螺帽、彈簧爪、鉚釘、屏蔽環、左定位快、右定位塊、USB3.0公頭線纜、并圈卡簧組成，詳見圖10。

插頭的彈簧爪通過鉚釘與連接螺帽固定，彈簧爪上沖壓出的凸起與殼體外圈鍵齒配合，可實現在振動、沖擊等環境下插頭、插座的可靠連接。并圈卡簧將連接螺帽限位到殼體上。左定位塊、右定位塊將USB3.0公頭線纜限位到殼體內部，由于插頭設計相對比較簡單這里就不再詳細論述。

圖10 USB3.0插頭結構圖

5 測試方案研究

通過連接器和線纜傳輸如此高的速率必須考慮通道的不連續性引起的失真。為了將失真程度保持在一個可控的水平，標準規定了線纜和連接對的阻抗和回波損耗。最新的測量使用S參數S11表征而且必須歸一化到線纜的90歐姆差分阻抗。反射電壓與發射器和待測器件之間的阻抗失配成比例，關系如下式：

Z0是源阻抗，ZL(t)是待測器件的阻抗，r(t)是反射系數，Vr(t)/Vi(t)是入射和發射電壓的比率。式(1)假設到待測器件的源，線纜和連接器都是匹配的，但事實上這種情況很少見。為了補償線纜和連接器的不理想，參考平面校正(基線校正)通常進行開路，短路，負載校準。調整式(1)可以得到待測器件的阻抗和時間(或距離)的函數，所以可以使用校準過的TDR做阻抗測量。

圖11展示了USB3.0帶有連接器線纜的的阻抗曲線。曲線表明了隨著TDR階躍信號在線纜中的行進阻抗變化是時間的函數。注意軌跡兩頭的阻抗變化，那是由于連接器引起的，當使用上升時間100ps(階躍信號)測試時連接器的阻抗規定是90±7歐。TDR的上升時間非常重要，因為阻抗變化和TDR階躍信號的上升時間成反比，而規范規定的USB3.0信號的上升時間是100ps，測量中匹配這個上升時間將給出信號“看到的”阻抗。

圖11 USB3.0帶有連接器線纜的差分阻抗vs時間測量

回波損耗或S11是頻域的測量和反射系數有關。歸一化(通過反射平面校準基線校正)反射系數的傅里葉變換給出了回波損耗是頻率的函數。圖12給出了USB3.0線纜和連接器測量的結果。圖中的橫軸表示2GHz/div，范圍是0～20GHz，縱軸表示10dB/div。回波損耗在2GHz大約是15dB,但隨著頻率的增加開始變得越來越小。精細的空值間隔是由線纜末端的連接器引起的，較大的空值間隔是由于連接器內部的阻抗結構決定的。

圖12 USB3.0帶有連接器線纜的差分回波損耗

回波損耗可以參考圖11中線纜和連接器阻抗是90歐而TDR系統差分阻抗是100歐，由于USB3.0發射機阻抗是90歐，這個不匹配人為地減少了回波損耗。為了正確的表達回波損耗，將阻抗轉化為測試到的S11是非常必要的，轉換關系由下式給出。

(2)

轉化可以分為兩步。首先，用特征阻抗是100歐姆的測試系統得出的復數S參數計算出復數的負載阻抗。其次，用新的90歐姆參考阻抗計算出負載阻抗的S參數。回波損耗是頻率的函數，所以可以計算出每個頻點的S參數。

舉個例子，用100歐姆阻抗表征的復合回波損耗S11=0.53-0.12J轉換到90歐姆的如下：

式2用來將圖12中測到的插損轉換到90歐姆差分阻抗。圖13中的兩個曲線給出了100歐姆和90歐姆特征阻抗的的回波損耗。

圖13 100歐姆(綠色虛線)和90歐姆參考(藍色實線)的回波損耗

USB3.0線纜和連接器的差分阻抗可以使用校正的TDR系統測量插損而得出。通過對連接到待測器件的參考平面(基線校正)運行開路，短路，負載進行校正。通過簡單的轉換測試系統和待測器件之間的不同阻抗進行插損補償。

6 結論

按照上述方法設計的耐環境USB3.0連接器，經過試制和試驗驗證，各項指標及傳輸效果滿足用戶使用要求。

參考文獻：

[1] 楊奮為，軍用電連接器的應用及發展，機電元件，2007年

[2] 劉策，USB3.0接口全方位解析

[3] 解析USB3.0連接器的阻抗和插損測試，中國百科網