USB

Bild 1: Messaufbau zum Hochfrequenz-Verhalten von USB-3.1-Steckverbindern. Würth Elektronik Eisos

Bei IT-Hardware und Consumer-Elektronik hat USB viele Schnittstellen bereits völlig abgelöst. Der benutzerfreundliche bidirektionale Steckertyp C des 3.1-Standards wird den Siegeszug in diesen Industrien vollends zum Triumph machen. Allerdings: In industriellen Anwendungen konnte sich USB nicht ganz so weit verbreiten. Aber die jetzt realisierte Verdopplung der Datenrate auf nunmehr 10 Gbit/s (USB 3.1 Gen 2) sowie die Tatsache, dass für angeschlossene Verbraucher bis zu 100 Watt zur Verfügung stehen, sind starke Argumente. Bleibt nur das Imageproblem: USB-Steckverbinder galten bisher eher als kostengünstiges Zubehör für anspruchslose Anwendungen und deutlich weniger als robuste Industriesteckverbinder. Nicht ganz zu Unrecht: Viele Produkte hatten Qualitätsmängel und waren schlicht nicht industrietauglich, auch weil der Preisdruck bei USB-Steckverbinder extrem groß war.

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Bild 2: Verlauf der Dämpfung (von Port 1 nach Port 2 betrachtet [blau] und der Rücklauf von Port 2 nach Port 1 [rot]) über die gesamte Messstrecke. Würth Elektronik Eisos

Hochwertige Bauteile sind Pflicht

Fakt ist: Rein technisch war USB auch bisher schon gut als Kommunikationsschnittstelle in industriellen Anwendungen geeignet. Man sollte allerdings als Hersteller von Geräten mit USB-Anschlüssen damit rechnen, dass Anwender oft minderwertige Stecker und Kabel verwenden. Ein Kennzeichen hochwertiger Steckverbinder ist beispielsweise der optimierte Anbindungswinkel zwischen den Gegensteckern und den Buchsenkontakten. Beträgt der Anbindungswinkel mehr als 40 Grad, können die Kontakte der Buchse beim Einstecken des Steckers beschädigt werden. In der Theorie verfügen Steckverbinder über eine Fase von 30 Grad. In der Praxis sind diese Fasen aber nicht immer integriert. Low-cost-Stecker können also Buchsen beschädigen. Deshalb sollten Gerätehersteller die Buchsen marktkonform und damit so auslegen, dass sie sich auch für nicht konforme Steckverbinder eignen.

USB-3.1-Module mit besserer Schirmung und dicker beschichteten Kontaktflächen mit entsprechender Güte des Materials genügen auch hohen mechanischen Ansprüchen. Und mit einer minimalen Haltbarkeit von 10.000 Steckzyklen eignen sich diese Module eben auch für Geräte, die länger halten sollen.

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Bild 3: Dämpfungsverlauf an einem einzelnen Datenleitungspaar. Würth Elektronik Eisos

Ein anderes USB-Qualitätsthema: elektromagnetische Verträglichkeit. Eigentlich sollte der USB wegen der symmetrischen Datenübertragung störfest sein. Die Verdrillung der Adern sorgt bei induktiver Störeinwirkung (Magnetfeld) für eine Kompensation der Störeinwirkung. Theoretisch kompensieren sich die Störeinflüsse. In der Praxis kommt es jedoch zu Störungen wegen mangelnder Symmetrie der Aus- und Eingänge des USB-Controllers, mangelhafter Schnittstellenkonstruktion (Buchse, Stecker) mit schlechter Masse oder unsymmetrischen USB-Kabeln. Entwickler industrietauglicher Elektronik sollten zur Sicherung der Signalqualität mit einer Signalbeeinflussung rechnen und für eine zusätzliche EMV-Absicherung sorgen.

Super Speed+ USB 10 Gbit/s

Die beiden einleitenden Beispiele zeigen, dass die USB-Spezifikationen nicht immer optimal umgesetzt werden. Das verlangt Vorsichtsmaßnahmen. Also etwa Tests, um zu verifizieren, dass USB 3.1 drinsteckt, wo 3.1 draufsteht. So müssen im PD-Mode (Power Delivery) pro Kontakt 5 A fließen können, damit die Leistung von 100 W bei der Stromversorgung über USB erreicht werden kann. Besonders spannend ist die Frage nach der Datenrate von 10 Gbit/s.

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Bild 4: Übersprechen (blau) und die Dämpfung (rot). Würth Elektronik eiSos

Würth Elektronik Eisos wollte wirklich sicher sein, dass die elektrischen Voraussetzungen dafür gegeben sind. Dazu wurde das Hochfrequenzverhalten des kompletten Signalweges, hier mit Typ-C-Stecker und -Buchsen, getestet.

Nicht das Test-Board messen

Um das HF-Verhalten der USB-3.1-Komponenten zu bestimmen, war es entscheidend, alle störenden Einflüsse zu eliminieren. Die F&E-Abteilung von Würth Elektronik Eisos entwickelt dazu ein Kalibrierungs-Board, dessen Streifenleitungen dieselbe Impedanz haben wie das Test-Board. Das Kalibrierungs-Board wurde mit dem Vector Network Analyser durchgemessen und dieser dann so kalibriert, dass das Dämpfungsverhalten der Platine den anschließenden Test der USB-Verbinder nicht verfälscht (Bild 1).

In der Messung wurde das Hochfrequenz-Verhalten bis zu einer Frequenz von 13 GHz vom Ausgangs-VIA über die Buchse, Stecker, 1 m Leitung, Stecker, Buchse und dem Eingangs-VIA betrachtet. Bild 2 zeigt den Verlauf der Dämpfung (von Port 1 nach Port 2 betrachtet [blau] und der Rücklauf von Port 2 nach Port 1 [rot]) über die gesamte Messstrecke. Erst ab 11 GHz steigt die Dämpfung stärker an.

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Bild 5: VIAs in den Zwischenlagen, links mit und rechts ohne Restringe. Würth Elektronik Eisos

Bild 3 zeigt den Verlauf an einem einzelnen Datenleitungspaar. Die Messungen beginnen bei 1 GHz und enden bei 13 GHz. Bild 4 zeigt das Übersprechen (blau) und die Dämpfung (rot) in Abhängigkeit von der Frequenz.

Ergebnis

Diese Messungen zeigten, dass die in den USB-3.1-Spezifikationen vorgesehene Taktung von 10 GHz Taktfrequenz (10 GHz/2 ergibt eine Fundamentalfrequenz von 5 GHz) problemlos über die gesamte Strecke bedienbar ist. Die Typ-C-Stecker von Würth Elektronik Eisos würden auch bei 11 GHz noch ein sauberes Signal weitergeben. Diese Messergebnisse (S-Parameter) können zur Verfügung gestellt werden und der interessierte Entwickler kann diese im Touchstone-Format in LT Spice integrieren. Damit das hervorragende HF-Verhalten der Buchsen und Stecker nicht auf die LT Spice-Simulation beschränkt bleibt, ein wichtiger Hinweis: Um das in der Messung ermittelte Frequenzverhalten nutzen zu können, muss die Leiterkarte des entwickelnden Unternehmens in punkto Lagenanbindung, VIA-Spezifikation und so weiter den Eigenschaften des Test-Boards entsprechen. Zur optimalen Nutzung der Buchsen sollte sich der Anwender exakt an die Designvorgaben des Boards bezüglich Substrate, Leiterabmessungen und so weiter halten. Ein Aspekt, der stellvertretend für die Haltung steht, die man beim Design von Signaltechnik pflegen sollte: Wie man an der Darstellung des Testboards sieht, dürfen die VIAs in den Zwischenlagen keine Restringe haben (Bild 5). Dadurch werden unerwünschte kapazitive und induktive Effekte zwischen den Lagen vermieden.

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Bild 6: Eine zusätzliche Masselage (gelb) schirmt die Pins der Typ-C-Buchse von Würth Elektronik Eisos ab. Würth Elektronik Eisos

Standardbauteile – nur besser

Das hervorragende HF-Verhalten der USB-Steckverbinder von Würth Elektronik Eisos kommt nicht von ungefähr. Mit seinem besonderen Bewusstsein für EMV-Themen aller Art hat der Hersteller auch im Design der Stecker noch Möglichkeiten gefunden, die Schirmung zu verbessern. Bei der Typ-A-Buchse sind es erweiterte Gehäuseteile mit extra DIP-Pins. Beim Typ C wurde eine zusätzliche Masselage zwischen die beiden Kontaktreihen eingefügt: Schließlich sollen leere Kontakte nicht als „Antennen“ wirken (Bild 6).

Fazit

Wenn die Hersteller von Steckverbindern wie auch Entwickler, die sie in industriellen Elektronikbaugruppen einsetzen, der-USB 3.1-Schnittstelle mit der nötigen Sorgfalt begegnen, ist sie die perfekte „Super Speed+“-Kommunikationsleitung. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der verwendeten Bauteile sollten daraufhin überprüft werden, ob sie mindestens die Vorgaben der USB 3.0 Promoter Group und des USB-Implementers-Forums entsprechen. Wie das Beispiel des HF-Verhaltens zeigte, ist dann auf jeden Fall Luft nach oben, was den Einsatz in anspruchsvollen Applikationen jenseits von USB-Stick und Handykabel betrifft.