USB —— 通(tōng)用(yòng)序列匯流排。 我們來逐字解釋：
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通(tōng)用(yòng)：適用(yòng)於所有場合、所有人(rén)。 |
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序列：相對於平行匯流排，額外資料會加入資料流程中。 |
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匯流排：一堆電線。 |
USB 已經存在了(le)很長一段時間，被廣泛認為是快(kuài)閃記憶體或 U 盤的(de)連接形式，相信大(dà)家手邊都有。我們的(de)手機可(kě)能也(yě)配置了(le)微型 USB，或是更微型的(de) USB Type-C 連接器。
這個小玩意兒的(de)奇妙之處在於能夠處理(lǐ)多(duō)個任務。它既是一個充電埠，又是一個資料埠，更是一個顯示埠。我們即使把它裝反了(le)也(yě)沒有關係，它並不像其他(tā)處理(lǐ)器那樣存在極化(huà)（早期的(de) USB 會出問題）。
在 USB-C 流行之前，我剛好在研究 USB-C 協議。 當時，Google 是其規範開發聯盟的(de)成員。2015 年初，我嘗試在電線和(hé)插頭之間創建一小塊電路並把它藏在充電器中。電路闆連接器則緊隨其後。
大(dà)多(duō)數人(rén)隻對位於 PCB 上的(de)那一半連接器對感興趣。如果你沒有在設計中使用(yòng)過 C 型連接器，那麼對以下(xià)的(de)情況你可(kě)能會感到驚訝：首先，它遠比傳統 USB 埠複雜。
圖片來源：Diodes.com
即使是最先進的(de) PCB 製造商也(yě)會為製造它而煩惱。也(yě)許有例外情況，但我從未找到一個供應商可(kě)以順利地用(yòng)一個封裝完成所有要求。我們大(dà)多(duō)數人(rén)每天都需要為手機、平闆或電腦充電，這造成了(le)對連接器的(de)頻繁使用(yòng)和(hé)拖拽。我的(de)電腦雖然配置了(le)四個 USB-C 連接器埠，但總有一天它們都會被損壞。
圖片來源：Geek.com 等多(duō)處來源
基於這個原因，連接器供應商通(tōng)常會指定一個非常受限的(de)幾何圖形封裝，並傾向於在非電鍍孔和(hé)非電鍍槽上的(de)位置和(hé)尺寸容差是非常緊湊的(de)。這是在第一次鑽孔和(hé)佈線之後進行的(de)第二次鑽孔，用(yòng)於電鍍孔和(hé)電鍍槽。用(yòng)於連接器主體的(de)電鍍槽通(tōng)常會被推到電路闆的(de)邊緣。表面貼裝焊盤則正對著非電鍍孔。如果我們擔心整個器件的(de) Z 高(gāo)度，我們將不得(de)不使用(yòng)安裝在 PC 闆插槽中的(de)中置連接器。這個小裝置可(kě)為一排引線添加通(tōng)孔，同時可(kě)保留一排表面貼裝焊盤。這樣我們就有了(le)非電鍍孔和(hé)非電鍍槽以及槽中的(de)電鍍孔，它們的(de)位置非常鄰近。
圖片來源：Witarea（中置）和(hé) China Connector（SMD）的(de)產品手冊
當我們有一個定位孔時，金屬回拉總是比電鍍孔的(de)回拉嚴重。這部分(fēn)的(de)工藝流程是鑽孔、電鍍、再鑽孔。經過這些步驟之後，再將電路闆放入用(yòng)於非電鍍孔的(de)夾具中。這一過程可(kě)能不是同一個操作員經手、或者使用(yòng)工廠內的(de)同一台機器，因此自然可(kě)能導緻變化(huà)，這就是非電鍍孔周圍留有較大(dà)禁制區的(de)原因。按照(zhào)供應商的(de)保守封裝，製造商很可(kě)能會給我們提出如下(xià)可(kě)製造性（DFM）要求：
「 我們可(kě)以增加非電鍍孔 / 槽的(de)容差嗎？ 」
「 我們可(kě)以在電路闆的(de)邊緣剪掉電鍍槽的(de)焊盤嗎？ 」
「 我們可(kě)以將 SMD 焊盤從非電鍍孔中修剪掉嗎？ 」
「 我們可(kě)以移動或刪除這些插槽嗎？ 」
相信我，即使是擁有業內頂尖技術的(de)製造商也(yě)會提出這些問題。即使是能夠可(kě)靠地刻蝕 40 微米走線和(hé)空間的(de)製造商，也(yě)難以應對 USB-C 連接器的(de)封裝挑戰。
去年，我在 DesignCon 參觀了(le)幾家連接器供應商：安費諾（Amphenol）、臺灣嘉澤（Lotes）、三達（Samtek）、泰科電子（TE）等。在 Lotes 展臺，他(tā)們有一個直徑約 8 英寸的(de)圓形闆並裝有不同版本的(de) USB-C 連接器。我半開玩笑(xiào)地和(hé) Lotes 代表說應該將產品手冊帶給展會現場的(de)每個 PCB 製造商，並要求他(tā)們對各自推薦的(de)封裝進行 DFM 研究。可(kě)見，這是一個巨大(dà)的(de)挑戰。
四年以來，我們已經代表製造商和(hé)我們的(de)利潤潛力與連接器供應商進行了(le)商談。帶有電鍍槽和(hé)引腳從邊緣拉入設計的(de)新產品不斷進入市場。我們可(kě)以透過標準鑽孔操作進行扇出，我們可(kě)以找到遠離連接引腳的(de)非電鍍槽/孔對。這有助於製造商提供另一種佈線優勢。接下(xià)來的(de)內容解釋了(le)這麼做(zuò)的(de)重要性。
你的(de)產品有足夠的(de)軟性設計嗎？
容差在軟性電路中更難實現，因此當我們在六層軟性電路上放置 C 型連接器時，會出現後座力。由於超高(gāo)速差分(fēn)對的(de)隔離和(hé)筆記型電腦的(de)電源要求，這不是一個非常靈活的(de)軟性設計。事實上，由於特殊的(de)零插入力（ZIF）柔軟性連接器在邊緣連接器上沒有足夠的(de)握力，我設計的(de)設備並不能通(tōng)過混凝土測試中的(de)三英尺跌落測試。因此，我們的(de)物(wù)理(lǐ)設計師迅速製作了(le)一個從一側懸臂伸出的(de)小支架， 而我則清除了(le)走線。
不出所料，軟性電路的(de)供應商在嚴格的(de)限制條件下(xià)畏縮不前，並希望降低參數要求和(hé)為阻焊層開口。在這一點上，我們的(de)物(wù)理(lǐ)設計師回應很讚。他(tā)告訴供應商他(tā)們正在進行製造和(hé)裝配（通(tōng)常是軟性裝置），並且他(tā)們將自己負責所有與此專案相關的(de)故障。據我猜測，這種承擔責任的(de)做(zuò)法使得(de)連接器供應商想要一個完美(měi)的(de)初始封裝。如果不遵守他(tā)們的(de)設計標準，他(tā)們就不會負責這個問題。
當元件供應商的(de)要求超過晶圓廠或裝配供應商的(de)能力時，我們應該採取什(shén)麼行動呢(ne)？答(dá)案很簡單：把他(tā)們聚集起來，商量折中的(de)辦法。
圖：USB Type-C，頂部安裝
深入瞭解佈線問題
現在我們有一個可(kě)以由至少一家公司生產的(de) USB-C 連接器封裝了(le)。我們可(kě)以將所有 ESD 保護二極體放在連接器上以保護其他(tā)精密設備。佈線時我們會注意到在連接器中間有一對差分(fēn)走線，它們無論經過 SMD 還是通(tōng)孔都從後排連接到前排。這四個引腳代表傳統的(de) USB 2.0 介面。 請記住，由於沒有極性差異，配對連接器必須正面朝上或反之才能工作。我們得(de)到的(de)是一個非常短的(de)差分(fēn)對，它在引出 ESD 抑制電路之前穿過 P 極和(hé) N 極。
我們通(tōng)常可(kě)以透過過孔進入電路闆而不跨越差分(fēn)對，然後沿著我們進入的(de)方向在另一層開始佈線而不是在線性路徑中。但是這種技巧在該類型的(de)連接器周圍的(de)有限空間內非常難以實現。我們不妨來用(yòng)一個模擬設計中的(de)老辦法。PCB上列印的(de)標準耦合器由四個埠組成，這些埠代表模擬設計中的(de)輸入、輸出、終止信號和(hé)耦合信號。輸入埠是終止埠的(de)直接 DC 連接，而終止埠則連接到另一個引腳上的(de)接地電阻。兩條線路的(de)長度以及它們之間的(de)間隙將確定耦合量，3 dB、10 dB 和(hé) 20 dB 比較常見。由於該線路與另一條線路並排佈線，耦合埠和(hé)輸出埠均獲得(de)電能。
另一方面，正交混合耦合器在相鄰層上運行兩條線，終止埠在相對側而不是在與輸入相同的(de)一側終止，形成了(le) X 形狀，而交叉則被拉長以實現耦合。
回到 USB-C 型連接器。由於可(kě)能位於不同層上，我們將兩條線從中心引腳或通(tōng)孔中拉出，並創建一個寬邊耦合對而不是邊緣耦合對以便跨越。我認為這是該佈線計畫的(de)最佳解決方案。在這種情況下(xià)，我使用(yòng)了(le)第 8 層和(hé)第 9 層以及微通(tōng)孔焊盤。請注意，我切換了(le)寬邊耦合線連到 ESD 二極體。
部分(fēn)截圖：USB 2.0
我們希望最小化(huà)長度，因為你可(kě)以根據插入配對連接器的(de)方式接合內側或外側的(de)焊盤。而訊號方面，這是電路的(de)向後相容部分(fēn)，所以設計來講沒有問題。
我們已經完成了(le)四個引腳，還有 20 個。接下(xià)來的(de)四個是很有挑戰性的(de)電源引腳。VBUS 或 VBAT 是其通(tōng)用(yòng)名稱。以藍色顯示在下(xià)方的(de)TI圖中。我們可(kě)以透過這兩個過孔拉過來 3 安培。每對引腳上的(de)三個過孔將是我們的(de)優先選擇。由於在受限制的(de)區域，通(tōng)孔解決方案看起來並不會簡單整齊。
圖片來源：TI
在 USB2.0 部分(fēn)和(hé)電源引腳之間，我們有四個管家訊號。雖然它們看起來是關聯的(de)，但它們在佈線上並不是成對的(de)。我記得(de)被要求過增加其中一些的(de)寬度。
另外四個差分(fēn)對位於電源引腳和(hé)外側接地引腳之間。差異對有一些區域可(kě)能會被擠壓，但佈線是走直的(de)。 我們會注意到設備和(hé)連接器之間的(de)其他(tā) P 極和(hé) N 極的(de)糾纏。平常的(de)設計技巧即可(kě)以根據需要實現位元的(de)翻轉。這些位的(de)網路名稱中可(kě)能包含字母 SS。就良好的(de)阻抗實踐而言，超高(gāo)速佈線需要我們最大(dà)程度的(de)關注。
最後，我想強調：USB Type-C 連接器對於製造廠而言是一個充滿挑戰的(de)難題。但是優勢在於它是電源和(hé)資料的(de)一體化(huà)解決方案。隻要我們還處在每秒 10 Gb 速度的(de)時代裡，我們就要學習如何應對。
譯文授權轉載出處
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