若无USB夹具帮忙,PCB改板也枉然!

来源:一博自媒体 时间:2021-3-10 类别:微信自媒体

公众号:高速先生
作者:黄刚

通过一个很费成本的案例告诉大家USB夹具对于定位USB相关产品问题的有效性、准确性以及便捷性。
 
要是看现在高速发展的进程,我们正在从成熟25Gbps到逐渐推广的56Gbps到对112Gbps的研发慢慢推进。在这一条高速的道路上,USB3.0对应的5Gbps已经不算很高速的协议了。不过从行业的细分来看,USB的产品依然占有重要的地位,高速先生团队见过的USB设计和案例也不在少数。USB的设计也有他们自身的特点和难点,一般来说USB产品要通过USB连接器或者USB线缆来和主控设备连接,所以一旦出现问题,其实是不好去定位到底是哪一部分的问题,高速先生今天就给大家分享一个解决过程很复杂但是解决方案很简单的案例。
 
高速先生从去年开始进军通用夹具的开发,在第一期宣传的高速先生文章中,大家看到了我们已经做出来的各种标准的夹具。其实也吸引了不少我们高速先生粉丝的关注,而且还有不少粉丝还是带着问题来关注的。例如有一天我们收到了一位粉丝的求助,内容如下:

 
这位粉丝通过我们当地分部的市场人员联系上了我们高速先生团队,并和我们更深入的描述了他们遇到的这个USB设备的问题。原来客户的产品是一个USB的设备,通过cable和主控设备进行联系通信,在这个过程中,USB3.0只能跑到2.0,运行3.0时总是有误码,而且他们已经连续改了2版PCB的设计依然没有解决问题。我们这边内部讨论了下,认为我们有USB的夹具,看看能不能通过测试来定位到真正的问题。于是就让客户把他们的USB设备产品和配套的cable寄过来我们实验室,我们来进行测试分析。
 
我们看到客户的产品和cable大概是下面的样子,为了保密需求,高速先生稍微模糊处理一下下哈。 
我们看到除了本身的USB设计板之外,配套的cable是一条type A转type B的线缆,也就是像下面这样的线缆。

其中和客户的USB产品连接的一头是type B,和主控设备连接的是type A,高速先生刚好是有type A的夹具,于是利用网络分析仪和夹具把测试环境搭起来,就是下面这个样子了。
 
这个时候我们就能够从夹具开始一直测试到USB设备上主芯片里面,包括和夹具的阻抗,USB线缆的阻抗,USB连接器的阻抗,USB设备上PCB走线的阻抗等。

我们先看看客户的两个版本的PCB走线的情况,阻抗如下:
 
可以看到,两个版本的PCB设计都是可以的,控制90欧姆的阻抗也在±10%左右,而且对于5Gbps的速率来说,信号是具有一定裕量的,高速先生根据经验认为肉眼见不到的大问题一般来说都不会是导致误码的原因,因此我们判断客户的PCB设计应该是OK的,可能不是主要的原因。

因此我们除了看PCB的阻抗外,还把目光放在整个链路中去,就在这不经意间,我们发现了整个链路的阻抗有一个很低的点。无论是TX还是RX信号都存在这个阻抗低点。
高速先生隐约感觉到找到关键的原因了,但是我们需要确定这个低点是我们本身夹具里面的还是与客户产品配套的线缆的。因此我们又做了这样一个测试,把type A的这一头进行open测试,和之前连接的状态进行对比,就能知道这个低点是在哪个部分了。

果然通过这个做法,从下图的结果看,就证明了低点来自线缆内部靠近A头连接器的位置,换句话说也就是线缆的问题了。
然后我们还做了另外一个很有意思的事情,也就是我们另外拿(mai)来一根同样的type A转type B的线缆,比之前的长,之前是半米,现在这根是1米的,我们同样来测试下A头这个位置,看是不是有同样的阻抗低点。
结果出乎高速先生的意料,另外一根线缆阻抗并没有这个低点,连续性明显更好。
于是我们就和客户提供了一个可行的方案,让他们试下用我们这根USB线缆,看看是否有改善。
果然客户再尝试完之后,也给出了我们想要的答案。
最后再简单回顾下这个案例,从最终的结果上看,其实优化的方法是很简单的,也就是换一条USB的cable。但是我们看看整个解决的过程就会发现,如果没有USB的夹具,你无法定位到是cable的问题,也无法精确的换一条性能好的cable来代替,可能你只会不断的进行USB设备板子的改版,不仅浪费成本和时间,最后还无法解决问题,因为cable还是差的cable,问题是出在线缆上并不是出在USB板子上,要找到问题才能解决问题。

最后给出我们这块USB type A 夹具的技术指标。


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