716
在USB标准的发展历史上，USB4可能是USB自从问世以来，重要性仅次于Type-C 接头的发展里程碑。由于USB4 整合了Thunderbolt 3协定，不仅介面频宽的极限值一口气拉高到40Gbit/s，支援其他协定的方法也更优雅、更有效率，为USB介面开拓了更多潜在应用市场。
USB4性能全方位提升 性价比远超Thunderbolt
威锋电子新市场开发部总监Terrance Shih(图1)指出，提到USB4，一般都会想到更快的传输速率，但与先前的USB版本相比，USB4不只是速度更快而已，在传输机制方面，也有很明显的改良。
图1 威锋电子新市场开发部总监Terrance Shih指出，由于传输机制改良，USB4的整体性能有了十分明显的突破
在USB3.x介面，藉由Alternative Mode，USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的讯号格式，进而让USB介面可以当作影音传输介面来使用。但Alternative Mode会占用一条专属通道，如果用USB3.x介面同时连接Displayport跟其他资料储存装置，即便Displayport没在使用，分配给Displayport的专属通道也不会释放给其他资料传输应用，降低资源运用的效率。
针对这个问题，USB4採用穿隧(Tunneling)协议的作法。例如在USB、Displayport跟PCI Express三种协定同时存在的情况下，USB4的主控端(Host)会把这三种不同协定的封包汇聚起来，在一条共通的通道上传输；到了装置端再把不同协定的封包分离，配送到对应的周边设备。
由于传输机制的改良，USB4介面的资源使用变得更有效率，不同协定的资料在传输时彼此拖累的情况大有改善，让USB4变成一个更理想的多用途介面。这对于笔记型电脑扩充基座(Docking)这类需要连接多样化周边的应用来说，是相当关键的。
而且，虽然USB4跟Thunderbolt4使用一样的协定，具有相同的传输效能，但因为拿掉了vPro这类高阶功能，验证跟取得Logo授权的成本也低很多，因此，支援USB4的产品会比Thunderbolt4要便宜得多，有利于市场推广跟普及。
测试工作繁重 自动化将成关键
在USB4的相容性测试跟合规测试方面，由于频宽增加，又强化了对多种协定的支援性，因此USB4产品的设计验证跟测试工作，变得更为複杂。
是德(Keysights)科技技术专家邱柏胜(图2)指出，由于频宽增加，因此USB4对电气特性的要求，变得更为严谨。因此，工程师需要更精准的抖动(Jitter)跟杂讯分析工具，测试设备也必须支援更先进的等化(Equalization) 与数学运算功能。而在协定分析方面，因为USB4是一个主打多协定融合的介面，所以工程师所使用的工具除了要能涵盖USB4，还必须支援Displayport 等其他协定。
图2 是德科技技术专家邱柏胜表示，为降低USB4测试的人力作业负担，测试工具的自动化将是必然的趋势
但除了仪器本身的讯号撷取跟协定分析功能外，邱柏胜认为，自动化测试能力，将是仪器厂商能否真正协助USB4开发者解决问题的关键所在。USB4的测试规范十分严谨，又要支援多种协定，意味著工程师需要执行的测试项目将大幅增加，且其中有些测试项目需要相当长的时间才能完成。因此，更强大的自动化功能，将是USB4测试方案中不可或缺的一环。
确保介面性能表现 USB-IF要求线缆品质
作为承载讯号的介质，线缆的品质是决定介面真实性能表现的重要因素，尤其是对于像USB4 这种高速界面来说，线缆的好坏，更会对介面的传输性能造成极大影响。为确保线缆的品质合乎规范，USB-IF对USB4的线缆设计，也提出了对应的规范与测试要求。
优力国际安全认证(UL)专案工程师叶建纬(图3)指出，USB-IF 已经发布USB4 Gen 3线缆以及连接器标准及需求，规定线缆跟连接器必须支援15GHz频宽，测试时的频宽则为20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相关规格，就目前可以掌握的消息，对裸线的设计没有太大的变化。
图3 优力国际安全认证专案工程师叶建纬表示，为确保USB4的性能表现，USB-IF对线缆有明确的规格要求跟测试规范
但因为USB4必须搭配Type-C 连接器，因此USB4线缆设计还是须符合Type-C的结构设计要求，如图4所示。此外，除了讯号线以外，USB4线缆还须包含其他功能性芯线，如VBUS VCONM SBU等。针对这些芯线的设计规格，USB-IF均有对应的规定，且USB-IF规定线缆结构直径不可超过4.8mm+/- 0.2，所以使用长度上必定会有所限制。
图4 Type-C缆线结构设计要求
叶建纬指出，整体线径的规范是使用便利性跟效能、成本妥协后的结果。线径变粗固然可以让线缆具有更好的性能，但同时也会让线缆变得难以弯折，对使用者造成许多不便，更会增加生产成本。
基本上，对于USB4缆线这类电缆而言，同轴线的设计及製程，会决定线缆特性及品质的好坏。成缆、编织以及外被押出，对于同轴线来说都是损耗，所以在各製程的机台选择、参数设计及製程能力都需加以验证及设计。
加工方式也会直接或间接的影响同轴线的生产。大多数加工厂使用光学镜头对焦及雷射切割，因此芯线本身的颜色，也会是影响製程稳定性的主要因素之一。遮蔽材料的包覆也会影响加工的便利性，加工时导体及绝缘长度，则会直接影响线缆的所有特性。
USB PD3.1配套还需酝酿
除了频宽跟协定的改良外，更大的功率传输能力，也是USB介面的重要发展方向。在USB进入4.0时代之后，专门规范USB 供电能力的USB PD也进入了3.1 时代，将功率传输的极限提高到240W。
伟诠电子资深处长罗汶光(图5)指出，USB PD3.1规范最重要的变动，在于增加了EPR(Extended Power Range)跟AVS(Adjustable Voltage Supply)两个机制。EPR 让USB PD的供电电压可以提高到48V，进而实现240W供电能力；AVS则是考量到电压变化范围加大，既有PPS模式没有规范到20~48V这个区间，所做出的电压调节补充规范。
图5 伟诠电子资深处长罗汶光指出，虽然USB PD3.1将供电能力的上限提高到240W，但受到电路拓扑的限制，120W以下的应用产品会发展得比较快
但罗汶光也指出，虽然PD3.1 将供电能力的极限提高到240W，但因为是透过将供电电压提高到48V来实现，所以在充电器设计、受电端的安全防护方面，都需要做好对应的配套。
在充电器设计方面，目前最大的挑战在AC/DC电路拓扑的选择。目前已经很成熟的QR、ACF拓扑，在48V条件下的效率表现不是很理想，因此业界正在探索使用混和式拓扑的可能性，让充电器的AC/DC电路在低压跟高压工作条件下，都能有良好的效率表现。
在受电装置的安全性方面，由于电压提高到48V，所以在Type-C接头被拔出受电装置时，可能会产生电弧火花。这会带来相当大的安全疑虑，故受电装置的製造商，例如NB厂商，必须导入对应的保护机制，才能降低意外事故发生的风险。
