USB3.0的靜噪對(duì)策

前言

現(xiàn)在，USB接口可以稱得上是電腦的各種通用外部接口中最為成功的。可以對(duì)應(yīng)眾多外部設(shè)備，無(wú)需打開(kāi)機(jī)箱便能擴(kuò)展功能，讓初學(xué)者也可以簡(jiǎn)單上手。因此，從TV turner到外部驅(qū)動(dòng)，USB被應(yīng)用于各種各樣的用途。

然而，SSD(Solid State Drive)等高速設(shè)備的出現(xiàn)，使USB2.0最高480Mbps的傳輸速度變得稍顯不足，為此就需要既能體現(xiàn)USB的便利性，又具備更快速的數(shù)據(jù)傳輸新接口技術(shù)。在這樣的狀況下，最高速度擴(kuò)大到5Gbps的USB3.0 SuperSpeed已完成了標(biāo)準(zhǔn)的制定，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品也即將出現(xiàn)?，F(xiàn)階段應(yīng)用于USB2.0靜噪的共模扼流線圈，對(duì)USB3.0 SuperSpeed是否同樣有效還不得而知。本文就來(lái)驗(yàn)證一下USB3.0 SuperSpeed使用以前的共模扼流線圈時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，并介紹能夠應(yīng)用于USB3.0 SuperSpeed的新共模扼流線圈產(chǎn)品。

USB3.0 SuperSpeed信號(hào)線

從USB1.1發(fā)展到USB2.0，是在相同電氣規(guī)格的信號(hào)線上進(jìn)行擴(kuò)充。與此不同的是，USB3.0 SuperSpeed則是另外追加了2對(duì)差分信號(hào)線。因此，基本不需要考慮對(duì)以前的USB2.0信號(hào)的影響，僅考慮新增加的USB3.0信號(hào)線即可。

圖1：USB3.0信號(hào)線的結(jié)構(gòu)

USB3.0 SuperSpeed的靜噪對(duì)策

在USB2.0的靜噪對(duì)策的實(shí)例中，大多是在地線與電源線中插入鐵氧體磁珠，在信號(hào)線則插入共模扼流線圈。由于電氣規(guī)格與原來(lái)相同，對(duì)于USB3.0中包含的USB2.0部分只需使用同樣的靜噪對(duì)策即可 (但須注意，用于電源供電從原先的500mA增加到了900mA，因此需要注意使用于電源線和地線等元件的直流電阻導(dǎo)致的電壓降低等問(wèn)題)。問(wèn)題在于USB3.0中追加的2對(duì)差分信號(hào)線。由于通過(guò)的信號(hào)速度是以前的10倍，若使用以前開(kāi)發(fā)的用于USB2.0的共模扼流線圈的話信號(hào)波形質(zhì)量就很有可能出現(xiàn)問(wèn)題。在此，我們將通過(guò)了USB2.0兼容性實(shí)驗(yàn)的共模扼流線圈，用在USB3.0 SuperSpeed的信號(hào)線上，并實(shí)際確認(rèn)了信號(hào)波形的變化。

圖2是通過(guò)了USB2.0兼容性實(shí)驗(yàn)的小型共模扼流線圈DLW21HN900SQ2。如圖3所示，使用在USB2.0信號(hào)線時(shí)并未對(duì)信號(hào)波形帶來(lái)不良影響。然而，如圖4所示，USB3.0 SuperSpeed(5Gbps)的信號(hào)通過(guò)時(shí)，信號(hào)波形產(chǎn)生混亂，眼圖模板的邊緣幾乎都丟失了。由此可見(jiàn)，USB3.0 SuperSpeed的信號(hào)速度快，因此若要通過(guò)更高頻的信號(hào)成分，就需要使用截止頻率更高的共模扼流線圈。

圖2：USB2.0使用到的普通用共模扼流線圈（DLW21HN900SQ2）

圖3：將過(guò)去的產(chǎn)品用于USB2.0時(shí)產(chǎn)生的波形

圖4：將過(guò)去的產(chǎn)品用于USB3.0 SuperSpeed時(shí)產(chǎn)生的波形

考慮到這些的情況，村田制作所開(kāi)發(fā)出了對(duì)應(yīng)USB3.0 SuperSpeed的小型共模扼流線圈DLP11TB800UL2，尺寸為1.25×1.0mm。為了不受USB3.0 SuperSpeed的高速信號(hào)帶來(lái)不良影響，此產(chǎn)品設(shè)定了非常高的差分截止頻率。將2.5GHz的特性阻抗調(diào)整為USB規(guī)格的90Ω，同時(shí)可以抑制信號(hào)反射造成的損失。

圖5：針對(duì)SuperSpeed的共模扼流線圈DLP11TB800UL2（開(kāi)發(fā)中）

如前文所述，在USB3.0信號(hào)線中使用此產(chǎn)品的話，如圖6所示，可以看到與未使用了濾波器的情況相比，眼圖模板的邊緣幾乎沒(méi)有變化。另外，在使用此產(chǎn)品的情況下測(cè)定了USB3.0 SuperSpeed對(duì)應(yīng)電纜的噪音的變化，發(fā)現(xiàn)在30MHz～10GHz的全頻帶上都有較好的噪音抑制效果 (圖7)。特別是700MHz～2GHz到5GHz上表現(xiàn)出了良好的靜噪效果。

圖6：USB SuperSpeed走線(3m)通過(guò)后的信號(hào)波形（校正前）

圖7：共模扼流線圈的靜噪效果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高Jitter Tolerance余量

對(duì)USB3.0進(jìn)行了抗抖動(dòng)性評(píng)測(cè)的Jitter Tolerance實(shí)驗(yàn)。用于USB線靜噪對(duì)策的共模扼流線圈具有改善偏移的效果，因此對(duì)改善Jitter Tolerance實(shí)驗(yàn)的偏移效果也值得期待。Jitter Tolerance實(shí)驗(yàn)，是在信號(hào)中摻入抖動(dòng)，測(cè)試當(dāng)摻雜了多少抖動(dòng)后將無(wú)法接收信號(hào)，但因?yàn)閁SB的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有校正測(cè)量的偏差，若將抖動(dòng)混入測(cè)定系等則會(huì)降低抗抖動(dòng)性。對(duì)此，若在信號(hào)線中加入共模扼流線圈，可以發(fā)揮變壓器的作用，改善偏移。利用這點(diǎn)，就能挽回由于偏移造成的抗抖動(dòng)性低下。圖8是驗(yàn)證了Jitter Tolerance實(shí)驗(yàn)結(jié)果的共模扼流線圈的效果實(shí)例。圖表中，在每個(gè)抖動(dòng)頻率，標(biāo)出了剛好能滿足規(guī)定的Bit Error Rate的抖動(dòng)量。圖表越是上方，抗抖動(dòng)性越強(qiáng)。(虛線是兼容性實(shí)驗(yàn)的暫定規(guī)格值)從這個(gè)例子中可以看出，使用共模扼流線圈之后，抗抖動(dòng)性在幾十MHz～100MHz范圍內(nèi)得到了提高。

圖8：Jitter Tolerance評(píng)測(cè)

總結(jié)

綜上所述，USB3.0 SuperSpeed和以前的USB2.0一樣通過(guò)使用共模扼流線圈來(lái)靜噪。但由于信號(hào)頻率大幅提高，需要使用大幅改善了差分截?cái)囝l率的共模扼流線圈。再者，雖然是從屬功能，但共模扼流線圈也有提高在USB3.0 SuperSpeed的Jitter Tolerance實(shí)驗(yàn)中抗抖動(dòng)能力。DLP11TB800UL2是開(kāi)發(fā)應(yīng)用于USB3.0 SuperSpeed，用來(lái)維持信號(hào)波形的同時(shí)能靜噪的全新的小型共模扼流線圈。今后，村田將繼續(xù)驗(yàn)證其在各種新設(shè)備中的使用對(duì)策，開(kāi)發(fā)新的使用方法，為客戶提供新的產(chǎn)品。