Worauf Sie bei platinenmontierten USB3.2-Gen2- und USB4-Steckern achten sollten

Meine erste Begegnung mit einem USB-Typ-C™-Steckverbinder (USB-C) war eine wunderbare Erfahrung. Nachdem ich jahrelang versucht hatte, einen USB-A-Stecker in die entsprechende Buchse zu stecken, um dann festzustellen, dass ich den Stecker verkehrt ausgerichtet hatte, fand ich einen USB-Stecker, der unabhängig von der Ausrichtung des Steckers passte. Das war nur eines der Wunder, die ich jetzt mit USB-C-Anschlüssen verbinde. Dieser Steckertyp kann auch Strom und mehrere Daten- und Anzeigeprotokolle bei Datenübertragungsraten von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) gemeinsam nutzen und erfüllt dabei die Anforderungen an die Signalintegrität und elektromagnetische Interferenz (EMI).

Bei der Implementierung von USB-C-Verbindungen auf Leiterplatten sind Entwicklungsteams ständig gefordert, Platz zu sparen und gleichzeitig zuverlässige Verbindungen zu gewährleisten. Die USB-C-Steckbuchsen von Stewart Connector sind so konzipiert, dass sie diese oft widersprüchlichen Anforderungen erfüllen. In Abbildung 1 sind Buchsen dargestellt, die entweder den Spezifikationen von USB 3.2 Gen 2 (früher USB 3.1) (links) oder USB 4 (rechts) entsprechen.

Abbildung 1: Abgebildet sind USB-C-Platinenbuchsen für USB 3.2 Gen 2 (links) und USB4 (rechts). (Bildquelle: Stewart Connector)

Die rechtwinkligen Buchsen sind abgeschirmt und abwärtskompatibel mit früheren USB-Versionen, die mit niedrigeren Geschwindigkeiten arbeiten. Die Modelle SS-52400-002 und SS-52400-003 sind mit USB 3.2 Gen 2 kompatibel und eignen sich für Platinenstärken von 0,039 Zoll (in.) (1 Millimeter (mm)) und 0,063 Zoll (1,60 mm). Der SS-52400-005 ist USB4-kompatibel und eignet sich für Platinen mit einer Dicke von 1,20 mm (0,047 Zoll).

Wie bereits erwähnt, sind USB-C-Stecker und -Buchsen wendbar. Die Kontakte sind so angeordnet, dass sie in beiden Ausrichtungen gesteckt werden können. Die Steckverbinder bieten Stromzufuhr, Datenübertragung und Audio-/Videoausgabe gemäß dem USB-PD-Standard (USB Power Delivery). Die Signalbelegung der USB-C-Buchse ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Abgebildet sind die Signalbelegungen der USB-C-Buchse. (Bildquelle: Stewart Connector)

In einem USB-C-Stecker sind viele Signale für die Daten- und Stromübertragung verfügbar, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: USB-C-Anschlüsse unterstützen Stromverteilung, alternative Datenmodi und USB-Kompatibilitätsmodi. (Tabellenquelle: Art Pini)

USB PD ist eine intelligente Spezifikation für die Stromversorgung. Es verwendet die CC-Leitungen (Channel Configuration), um die Leistungsverträge zwischen der Quelle und der Senke (Last) auszuhandeln. Die Spannungspegel können höher als 5 Volt sein, und programmierbare Stromversorgungen sind zulässig.

Die USB3.2-Gen2-Buchsen SS-52400-002 und SS-52400-003 von Stewart Connector unterstützen einen maximalen Leistungspegel von 100 Watt bei 20 Volt und 5 Ampere (A). Die USB4-Steckbuchse SS-52400-005 ist für 140 Watt bei 20 Volt und 7 A ausgelegt. Alle USB-C-Buchsen haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 105 °C.

Nachdem USB PD den Stromvertrag zwischen den Geräten ausgehandelt hat, initiiert es Datenverbindungen im alternativen Modus wie DisplayPort (DP) unter Verwendung von VDM (Vendor Defined Messages). Anschließend wird DP mit dem Link-Training fortfahren, um die Beziehung zwischen einer DP-Quelle und -Senke herzustellen und eine stabile Verbindung für das Streaming von Daten wie Video oder Audio zu gewährleisten. DP-Hilfssignale (AUX) verwenden die SBU-Signalpins (SBU1 und SBU2). Der AUX-Kanal ist für das Link-Management und die Steuerung des Testmodus zuständig. Die SuperSpeed-Leitungen SSTx1, SSTx2, SSRx1 und SSRx2 bilden differenzielle Datenpfade, um Highspeed-Datenverbindungen bereitzustellen. Die dedizierten Dp- und Dn-Leitungen gewährleisten die Kompatibilität mit älteren USB-Standards (USB 2 und niedriger).

USB PD ist nicht nur für die Stromversorgung zuständig, sondern synchronisiert auch die verschiedenen Protokolle, die im alternativen Modus verwendet werden. Zu den unterstützten seriellen Datenprotokollen gehören Thunderbolt, DisplayPort, HDMI (High-Definition Multimedia Interface) und MHL (Mobile High-Definition Link). Zusätzliche Schnittstellen können mit VDM leicht hinzugefügt werden.

Das schlanke Design der USB-C-Steckbuchsen von Stewart Connector bietet einen zusätzlichen Mehrwert, indem es den verfügbaren Platz auf der Leiterplatte optimal ausnutzt. Die Buchsen haben ein hybrides Stiftdesign, das Pins für die Durchkontaktierung und für die Oberflächenmontage für die Verbindung mit den oberen und unteren Lagen der Leiterplatte verwendet. Auf der Fertigungsseite werden die USB-C-Steckbuchsen auf Gurten und Rollen für die automatisierte Bestückung verpackt.

Fazit

So aufregend es auch sein mag, wendbare Anschlüsse zu haben, es wird schnell klar, dass USB-C mehr zu bieten hat. Es bietet einen Standardanschluss für verschiedene Audio-, Video-, Datenspeicher- und Kommunikationsprotokolle. Es unterstützt auch neue und entstehende Normen vor, die gerade entwickelt werden. Die Lösungen von Stewart Connector tragen dazu bei, die Anforderungen von Entwicklungsteams zu erfüllen, indem sie zuverlässige und kompakte USB-C-Leiterplattenverbindungen sicherstellen.