โซลูชันการผลิตคอนเนคเตอร์ USB-C คุณภาพสูง

USB-C รองรับข้อมูล 40 Gbps จ่ายไฟ 240 W และเจรจาโปรโตคอลบนพิน 24 พินที่ระยะห่าง 0.5 มม. — โดยทั้งหมดนี้สามารถเสียบได้ทั้งสองด้าน การนำ USB-C ลงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยปราศจากความล้มเหลวของความสมบูรณ์ของสัญญาณ ปัญหาการจ่ายไฟ หรือปัญหา EMC จำเป็นต้องมีกฎการจัดวางเฉพาะ วงจรป้องกัน และความคลาดเคลื่อนในการผลิต ซึ่งคู่มือนี้จะอธิบายไว้ทีละพิน

สารบัญ

1. แผนผังขา USB-C: แต่ละกลุ่มต้องการอะไรจากแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
2. การกำหนดเส้นทางแบบดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูง: อิมพีแดนซ์ การจับคู่ความยาว และกลยุทธ์เลเยอร์
3. ระบบจ่ายไฟ VBUS: ขนาดสายทองแดงตั้งแต่ 15 วัตต์ ถึง 240 วัตต์
4. การกำหนดค่าพิน CC สำหรับพอร์ตแหล่งสัญญาณ ปลายทาง และพอร์ตแบบสองบทบาท
5. วงจรป้องกัน: ESD, EMI และความทนทานทางกล
6. การผลิตและการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับ USB-C

1. แผนผังขา USB-C: แต่ละกลุ่มต้องการอะไรจากแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

การจัดวางแบบสมมาตร 24 พิน (12 พินต่อด้าน) ช่วยให้เสียบปลั๊กได้ทั้งสองด้าน แต่ทำให้ความหนาแน่นของการเดินสายบนแผงวงจรพิมพ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ต้องมีการเดินสายทั้งชุดเลน TX1/RX1 และ TX2/RX2 ตัวควบคุม USB-C ตรวจจับทิศทางการเสียบปลั๊กผ่านพิน CC และเปิดใช้งานชุดเลนที่ถูกต้อง สำหรับการออกแบบที่ใช้ USB 2.0 เท่านั้น จะต้องมีการเดินสายคู่ D+/D− เพียงคู่เดียวเท่านั้น ส่วนอีกคู่จะต่อลัดวงจรเข้ากับคู่แรก ณ จุดเชื่อมต่อ

ระยะห่างระหว่างแพด 0.5 มม. ต้องการความแม่นยำสูงในการผลิต PCB ระยะห่างระหว่างแพดเพียง 0.15–0.2 มม. ซึ่งต่ำกว่าความสามารถของกระบวนการผลิต PCB มาตรฐานหลายอย่างความสามารถในการผลิต PCB แบบ HDIที่มีเส้นลายสัญญาณ/ช่องว่าง 3 มิล เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการส่งสัญญาณ USB-C ที่เรียบร้อยในงานออกแบบหลายชั้นที่มีความหนาแน่นสูง

2. การกำหนดเส้นทางแบบดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูง: อิมพีแดนซ์ การจับคู่ความยาว และกลยุทธ์เลเยอร์

ที่ความเร็ว 10 Gbps (USB 3.2 Gen 2) แต่ละคู่สายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลทำหน้าที่เป็นสายส่งสัญญาณ RF กฎการจัดวางที่ใช้ได้กับ USB 2.0 จึงใช้ไม่ได้กับ SuperSpeed

ค่า ความต้านทาน: 90 โอห์ม แบบดิฟเฟอเรนเชียล, ±5% สำหรับ USB 3.x, ±3% สำหรับ USB 4. บนแผ่น FR-4 ที่มีพรีเพรก 4 มิลลิเมตร: ความกว้างของลายวงจรประมาณ 0.18 มิลลิเมตร, ช่องว่างประมาณ 0.18 มิลลิเมตร ค่าเหล่านี้ต้องคำนวณจากโครงสร้างจริงของผู้ผลิต — ห้ามคัดลอกค่าจากวัสดุหรือความหนาที่แตกต่างกัน

การจับคู่ความยาว:ภายในคู่ (สองเส้นของคู่เดียว): ≤5 มิล สำหรับ USB 3.x, ≤2 มิล สำหรับ USB 4 ควรใช้การปรับแต่งแบบคดเคี้ยวเรียบๆ ไม่ใช่แบบซิกแซกที่แน่นเกินไป เพราะมุมแหลมจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่ความถี่หลายกิกะเผลก

กลยุทธ์การจัดเรียงชั้น:วางสายคู่ SuperSpeed ​​ไว้บนชั้นภายในที่ประกบอยู่ระหว่างระนาบ GND (stripline) เพื่อการป้องกันสูงสุด สายคู่ USB 2.0 สามารถวางบนชั้นนอกได้ อย่างน้อย 6 ชั้นสำหรับ USB 3.2 Gen 2; 8 ชั้นสำหรับ USB 4 บนแผงวงจร 4 ชั้น สายคู่ SuperSpeed ​​จะวางบนชั้นนอกแบบ microstrip ซึ่งเหมาะสมสำหรับ USB 3.0 (5 Gbps) แต่ไม่แนะนำสำหรับความเร็วที่สูงกว่านั้น

เวีย (Vias):เวียแต่ละจุดบนคู่สาย SuperSpeed ​​จะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 0.2–0.5 nH และสร้างส่วนยื่นที่ทำให้ไดอะแกรมตา (eye diagram) คุณภาพลดลง ควรตั้งเป้าให้ไม่มีการเปลี่ยนชั้นต่อคู่สาย เมื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนชั้นไม่ได้ ควรวางเวียสำหรับเชื่อมต่อกราวด์ (GND stitching vias) ภายในระยะ 1 มม. และพิจารณาเจาะรูด้านหลังส่วนยื่นเวียที่ไม่ได้ใช้งานสำหรับงานออกแบบ USB4 สำหรับ PCB ที่ต้องเจาะรูด้านหลัง โปรดดูคู่มือเทคโนโลยีการเจาะรูด้านหลัง ของเรา

ตัวเก็บประจุแบบต่อพ่วง AC:สายส่งสัญญาณ USB 3.x ต้องการตัวเก็บประจุแบบต่อพ่วง AC ขนาด 100 nF (0402 หรือ 0201) วางตัวเก็บประจุเหล่านี้แบบสมมาตรระหว่างลายวงจรทั้งสองของแต่ละคู่ ใกล้กับด้านตัวส่งสัญญาณ โดยให้มีความยาวส่วนต่อขยายน้อยที่สุด

3. ระบบจ่ายไฟ VBUS: ขนาดสายทองแดงตั้งแต่ 15 วัตต์ ถึง 240 วัตต์

พอร์ต USB-C VBUS รองรับแรงดันไฟฟ้า 5 V (ค่าเริ่มต้น), 9 V, 15 V, 20 V (USB PD 3.0, สูงสุด 100 W) หรือ 28 V / 36 V / 48 V (USB PD 3.1 Extended Power Range, สูงสุด 240 W) แผ่นทองแดงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ต้องสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าที่ตกลงกันไว้ได้

ขา VBUS ทั้ง 4 ขาต้องเชื่อมต่อกันบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) (เช่นเดียวกับขา GND) — ปลั๊กสามารถเสียบได้ทั้งสองด้าน ดังนั้นทั้งสองด้านจึงมีกระแสไฟไหลผ่าน สำหรับการออกแบบที่ใช้กำลังไฟ 100 วัตต์ขึ้นไป จะใช้ระนาบ VBUS เฉพาะบนชั้นภายในเป็นมาตรฐานแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาที่มีชั้นภายใน 2 ออนซ์รองรับกำลังไฟ 240 วัตต์โดยไม่ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นมากเกินไป

การป้องกัน: โดยทั่วไปแล้ว OVP (การป้องกันแรงดันเกิน) และ OCP (การป้องกันกระแสเกิน) จะถูกรวมอยู่ในไอซีควบคุม USB PD (TI TPS65987, Cypress CYPD3177, Infineon CYPD6227) ส่วน TVS ภายนอกบน VBUS จะจัดการกับกระแสไฟกระชากที่เกินขีดความสามารถของตัวควบคุม

4. การกำหนดค่าพิน CC สำหรับพอร์ตแหล่งจ่าย พอร์ตรับ และพอร์ตแบบสองบทบาท

CC1 และ CC2 คือส่วนประมวลผลอัจฉริยะของ USB-C ทำหน้าที่ตรวจจับการเสียบสายเคเบิล กำหนดทิศทางการเสียบปลั๊ก ระบุบทบาทเป็นแหล่งจ่ายไฟ/ตัวรับ และเจรจาแรงดันและกระแส PD การกำหนดค่า PCB ขึ้นอยู่กับบทบาทของอุปกรณ์:

ซิงค์ (อุปกรณ์รับพลังงาน):ขา CC แต่ละขาต่อลงกราวด์ผ่านตัวต้านทาน Rd ขนาด 5.1 kΩ ส่งสัญญาณว่า “ฉันเป็นอุปกรณ์ โปรดจ่ายพลังงานให้ฉัน” สำหรับอุปกรณ์ซิงค์ที่รองรับ PD ตัวควบคุม PD แบบแอคทีฟจะเข้ามาแทนที่ตัวต้านทานและจัดการการเจรจาข้อความ PD ผ่านการเข้ารหัส BMC บนสาย CC

แหล่งจ่ายไฟ (อุปกรณ์จ่ายไฟ):ขา CC แต่ละขาต่อกับ VCONN หรือ 3.3 V ผ่านตัวต้านทาน Rp ค่า Rp บ่งบอกถึงความสามารถในการจ่ายกระแส: 56 kΩ = USB มาตรฐาน (500 mA), 22 kΩ = 1.5 A, 10 kΩ = 3 A สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบ PD ตัวควบคุมแบบแอคทีฟจะเข้ามาแทนที่ Rp และเจรจาข้อตกลงเกี่ยวกับแรงดัน/กระแส

พอร์ตแบบสองบทบาท (DRP):สลับการทำงานระหว่าง Rp และ Rd โดยจะค้นหาอุปกรณ์คู่ค้า ตัวควบคุม PD จะจัดการสถานะของ DRP, ตรรกะ Try.SRC/Try.SNK และ PR_Swap (การสลับบทบาทด้านพลังงาน) DRP ใช้ในแล็ปท็อป ฮับ USB-C และแท่นวางที่สามารถทั้งจ่ายและรับพลังงานได้

การออกแบบ PCB: ควรเว้นระยะห่างระหว่างลายสัญญาณ CC ไม่เกิน 50 มม. เพื่อลดค่าความจุ เพิ่มตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนขนาด 0.1 µF เข้ากับกราวด์ใกล้กับขั้วต่อ ควรวางลายสัญญาณ CC ให้ห่างจากคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล SuperSpeed ​​เนื่องจากสัญญาณ BMC บน CC อาจรบกวนช่องสัญญาณความเร็วสูงได้หากระยะห่างไม่เพียงพอ

สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ใช้ DisplayPort หรือ Thunderbolt Alt Mode นั้น พินด้านข้าง SBU1/SBU2 จะเชื่อมต่อกับตัวควบคุม Alt Mode พินเหล่านี้ต้องการการป้องกัน ESD แต่ไม่จำเป็นต้องมีการควบคุมอิมพีแดนซ์

5. วงจรป้องกัน: ESD, EMI และความทนทานทางกล

ลำดับการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกัน ESD (ตัวเชื่อมต่อ → ไอซีฮับ):

1. แผงไดโอด TVS บน SuperSpeed ​​TX/RX — ≤0.3 pF (TI TPD4S214, Diodes Inc DT1452-02)
2. ทีวีบน D+/D− — ≤3 pF (TI TPD4S012, Nexperia PESD5V0U4BF)
3. TVS บน VBUS — แบบสองทิศทาง รองรับแรงดันไฟฟ้า PD (Bourns CDSOT23-SM712)
4. TVS บน CC และ SBU — โดยทั่วไปจะรวมอยู่ในตัวควบคุม PD

ชิ้นส่วน ESD ทั้งหมดต้องอยู่ห่างจากขาคอนเนคเตอร์ไม่เกิน 1.5 มม. นี่เป็นกฎที่ไม่อาจต่อรองได้ อุปกรณ์ป้องกันจะมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อสามารถดักจับพัลส์ ESD ก่อนที่จะถึงไอซีควบคุมเท่านั้น

การลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI):ใช้โช้คแบบ Common-mode บนคู่สาย SuperSpeed ​​(Murata DLW32SH สำหรับ USB 3.0, TDK ACT45B สำหรับ USB 2.0) ชีลด์ของคอนเนคเตอร์เชื่อมต่อกับกราวด์ของตัวเครื่องผ่านรูเชื่อมต่อหลายจุดภายในระยะ 2 มม. จากแผ่นรองบนตัวคอนเนคเตอร์ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ตรงตามมาตรฐาน EMC ทางการแพทย์ ยานยนต์ หรือการทหาร จะใช้เทคนิค การออกแบบ PCB ความถี่สูงรวมถึงระนาบป้องกันและรูเชื่อมต่อแบบควบคุมอิมพีแดนซ์

ความทนทานเชิงกล:พอร์ต USB-C มีอายุการใช้งานสำหรับการเสียบใช้งาน 10,000 ครั้ง ขั้วต่อแบบติดตั้งบนพื้นผิวที่มีแท็บยึดแบบทะลุรู (แบบที่พบมากที่สุด) มีความแข็งแรงเชิงกลที่เพียงพอ ขั้วต่อ SMT แท้ๆ นั้นอ่อนแอกว่า เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์ที่อยู่กับที่ ไม่เหมาะสำหรับอุปกรณ์พกพา ขั้วต่อแบบติดตั้งตรงกลาง (ฝังอยู่ในขอบของแผงวงจร) เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่บางมาก แต่ต้องใช้การตัดแต่งขอบแผงวงจรด้วยเครื่อง CNC ที่มีความแม่นยำสูง

6. การผลิตและการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับ USB-C

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับ USB-C ต้องการความคลาดเคลื่อนในการผลิตที่เข้มงวดกว่าแผงวงจรมาตรฐาน ตรวจสอบความสามารถเหล่านี้กับผู้ผลิตของคุณก่อนสรุปการออกแบบขั้นสุดท้าย:

ระยะห่างระหว่างลายวงจร/ช่องว่าง:อย่างน้อย 3 มิล/3 มิล สำหรับบริเวณกระจายสัญญาณ USB-C ระยะห่างมาตรฐาน 5 มิล/5 มิล ไม่เพียงพอสำหรับแผ่นสัมผัสที่มีระยะห่าง 0.5 มม.

การควบคุมอิมพีแดนซ์: ±5% สำหรับดิฟเฟอเรนเชียล 90 Ω สำหรับ USB 3.x; ±3% สำหรับ USB 4. ต้องใช้การจำลองด้วยโปรแกรม Field-solver บนโครงสร้างการผลิตจริงและการตรวจสอบด้วยคูปอง TDR ในทุกชุดการผลิต การผลิตที่ควบคุมอิมพีแดนซ์ที่ Highleap รองรับค่าความคลาดเคลื่อนเหล่านี้บนวัสดุ FR-4 และลามิเนตที่มีการสูญเสียต่ำ

การ ตกแต่งพื้นผิว: ENIG (นิกเกิลไร้ไฟฟ้า/ทองคำชุบ) เป็นมาตรฐานสำหรับการบัดกรีแผ่นรอง USB-C — พื้นผิวเรียบช่วยให้การวางวาง...

การประกอบ:ขั้วต่อ USB-C มีแผ่นสัญญาณ 24 แผ่น และแผ่นป้องกัน/ยึดอีก 4 แผ่น โดยมีระยะห่างระหว่างแผ่น 0.5 มม. การออกแบบช่องเปิดของแผ่นบัดกรีมีความสำคัญอย่างยิ่ง การบัดกรีมากเกินไปจะทำให้เกิดการเชื่อมต่อผิดพลาด การบัดกรีน้อยเกินไปจะทำให้เกิดการขาดตอน พันธมิตรผู้ประกอบที่มีประสบการณ์ในการผลิต USB-C จะใช้การลดขนาดช่องเปิดของแผ่นบัดกรีเฉพาะ (โดยทั่วไปคือ 80–90% ของพื้นที่แผ่น) ซึ่งได้รับการตรวจสอบแล้วบนแผงวงจรทดสอบก่อนการผลิต

Highleap Electronics ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) USB-C ตั้งแต่ 4 ถึง 12 ชั้น พร้อมความสามารถ HDI ส่งแบบ PCB USB-C ของคุณเพื่อขอใบเสนอราคา

บทความที่เกี่ยวข้อง: คู่มือการออกแบบ PCB สำหรับฮับ USB · การเลือกผู้ผลิต PCB สำหรับฮับ USB · ผลิตภัณฑ์ตัวแปลง USB · คู่มือการใช้งานตัวขยายพอร์ต USB