A Universal Serial Bus (USB) é provavelmente uma das interfaces mais versáteis do mundo. Originalmente criada pela Intel e Microsoft, ela se destaca pela facilidade de conexão e uso imediato (hot-plug and play). Desde a introdução da interface USB em 1994, após 26 anos de desenvolvimento, passando pelas versões USB 1.0/1.1, USB 2.0 e USB 3.x, até chegar à atual USB 4.0, a taxa de transmissão também aumentou de 1,5 Mbps para os mais recentes 40 Gbps. Atualmente, não apenas os smartphones mais recentes suportam a interface Tipo-C, mas também notebooks, câmeras digitais, alto-falantes inteligentes, carregadores portáteis e outros dispositivos começaram a adotar a especificação USB Tipo-C, que já foi introduzida com sucesso no setor automotivo. Em vez de USB-A, o novo Tesla Model 3 possui portas USB-C, e a Apple converteu completamente seus MacBooks e AirPods Pro para portas USB Tipo-C para transferência de dados e carregamento. Além disso, de acordo com os requisitos da UE, a Apple também utilizará a interface USB tipo C no futuro iPhone 15, e não há dúvida de que o USB 4.0 será a principal interface de produto no mercado futuro.
Requisitos para cabos USB4
A maior mudança no novo USB4 é a introdução da especificação do protocolo Thunderbolt, compartilhada pela Intel com a usb-if. Operando em links duplos, a largura de banda é duplicada para 40 Gbps, e o tunelamento suporta múltiplos protocolos de dados e vídeo. Exemplos incluem PCI Express e DisplayPort. Além disso, o USB4 mantém boa compatibilidade com a introdução do novo protocolo subjacente, sendo retrocompatível com USB 3.2/3.1/3.0/2.0, bem como com Thunderbolt 3. Como resultado, o USB4 tornou-se o padrão USB mais complexo até o momento, exigindo que os projetistas compreendam as especificações de USB4, USB 3.2, USB 2.0, USB Type-C e USB Power Delivery. Ademais, os projetistas devem compreender as especificações de PCI Express e DisplayPort, bem como a tecnologia de proteção de conteúdo de alta definição (HDCP) compatível com o modo DisplayPort do USB4, e os cabos e conectores com os quais estamos familiarizados agora possuem requisitos mais elevados para atender às exigências de desempenho elétrico dos produtos acabados com cabos USB4.
Uma versão coaxial do USB4 surgiu do nada.
Na era do USB 3.1 10G, muitos fabricantes adotaram a estrutura coaxial para atender aos requisitos de desempenho em alta frequência. A versão coaxial não era aplicada na série USB anteriormente, sendo seus principais cenários de aplicação notebooks, celulares, GPS, instrumentos de medição, tecnologia Bluetooth, etc. Cabos coaxiais geralmente utilizados incluem cabos médicos, cabos eletrônicos coaxiais de teflon e cabos coaxiais de radiofrequência. Com as exigências de controle de custos do mercado, na era do USB 3.1, os produtos com cabos trançados que atendiam aos requisitos de desempenho rapidamente conquistaram o mercado. No entanto, com o mercado USB 4.0, os requisitos de transmissão de alta frequência tornaram-se cada vez mais rigorosos, e a transmissão de alta velocidade exige que o cabo tenha forte capacidade anti-interferência e estabilidade de desempenho elétrico. Para garantir a estabilidade da transmissão de alta frequência, o USB 4.0 ainda utiliza principalmente a versão coaxial. O processo de produção e fabricação de cabos coaxiais é complexo e, para atender às aplicações de alta frequência e alta velocidade, requer equipamentos de produção adequados e um processo de produção maduro e estável. Na produção do produto, a seleção de materiais, os parâmetros e o controle do processo, bem como os parâmetros elétricos dos testes de laboratório especializados, desempenham um papel fundamental. Ao longo do desenvolvimento da estrutura coaxial, além do alto custo do material e do processamento, outros fatores são importantes, mas o desenvolvimento do mercado sempre gira em torno de como alcançar o maior preço por lote. A versão com par trançado sempre esteve na lacuna de pesquisa e desenvolvimento e avanço do desenvolvimento coaxial.
A estrutura do cabo coaxial pode ser vista, de dentro para fora, respectivamente: condutor central, camada isolante, camada condutora externa (malha metálica) e blindagem metálica. O cabo coaxial é composto por dois condutores. O fio central do cabo coaxial é usado para transmitir sinais. A malha metálica desempenha duas funções: uma é fornecer o circuito de corrente para o sinal como terra comum e a outra é suprimir a interferência de ruído eletromagnético no sinal, atuando como blindagem. Entre o fio central e a malha metálica, há uma camada isolante de polipropileno semi-espumado. A camada isolante determina as características de transmissão do cabo e protege eficazmente o fio central, justificando seu alto custo.
Versão USB4 com par trançado a caminho?
À medida que os circuitos eletrônicos operam em frequências mais altas, as características elétricas dos componentes eletrônicos tornam-se mais difíceis de controlar. Quando o tamanho do componente ou do circuito como um todo é maior que o comprimento de onda da frequência de operação, os valores de indutância e capacitância do circuito, ou os efeitos parasitas das propriedades dos materiais dos componentes, entre outros fatores, mesmo utilizando a estrutura de par de fios, não atendem aos requisitos básicos de frequência nos testes. Além disso, a flexibilidade e o diâmetro da estrutura são muito maiores do que os da versão coaxial. Por que não se pode utilizar o USB de par em lotes? Em geral, quanto maior a frequência de uso do cabo, menor o comprimento de onda do sinal e menor o espaçamento entre os fios, melhor o efeito de balanceamento. No entanto, um espaçamento muito pequeno entre os fios resulta em baixa eficiência de produção e torção do fio isolante. Quando o espaçamento entre os fios do par é muito pequeno, o número de torções é alto e a tensão de torção se concentra na seção, causando deformação e danos significativos na camada isolante e, consequentemente, distorção do campo eletromagnético, afetando indicadores elétricos como o valor de SRL e a atenuação. Quando existe excentricidade no isolamento, a distância entre os condutores varia periodicamente devido à revolução e rotação da linha isolante, o que provoca flutuações periódicas na impedância. O período de flutuação é relativamente longo. Em transmissões de alta frequência, essa variação lenta pode ser detectada por ondas eletromagnéticas e afetar o valor da perda de retorno. A versão USB4 em pares não pode ser usada em conjunto.
Não para o chão, mas não queremos usar nosso cabo coaxial, então começamos a verificar diferentes métodos de blindagem USB4 para fabricar o produto. A maior desvantagem é a facilidade com que o condutor se torce, e a diferença com o pacote paralelo diretamente para o trabalho doméstico, evitando a torção do condutor. Como todos sabemos, atualmente as diferenças do SAS, SFP+, etc., são usadas em linhas de alta velocidade, o suficiente para mostrar que seu desempenho deve ser superior à versão trançada. Um papel importante da linha de dados de alta frequência é transmitir sinais de dados, mas quando a usamos, podem surgir todos os tipos de informações de interferência confusas. Vamos pensar: se esses sinais de interferência entrarem no condutor interno da linha de dados e se sobrepuserem ao sinal transmitido original, é possível interferir ou alterar o sinal transmitido original, causando assim perda ou problemas de sinal útil? A diferença da camada de folha de alumínio reside na sua função de proteção e blindagem durante a transmissão de informações, reduzindo a interferência de sinais externos. O principal material utilizado na embalagem e na folha de alumínio é a própria folha de alumínio, aplicada em um ou ambos os lados de um filme plástico, formando uma película composta de alumínio e alumínio que serve como blindagem do cabo. Essa película requer pouca oleosidade na superfície, não apresenta furos e possui alta resistência mecânica. O processo de revestimento consiste em unir dois fios condutores isolados e um fio terra por meio de uma máquina de revestimento. Simultaneamente, uma camada de folha de alumínio e uma camada de fita de poliéster autoadesiva são aplicadas na parte externa para blindar o par de fios e estabilizar a estrutura dos fios condutores revestidos. Esse processo tem um impacto significativo nas propriedades do fio, incluindo impedância, diferença de atraso e atenuação. Por isso, sua produção deve seguir rigorosamente as especificações técnicas, com testes de propriedades elétricas para garantir que o revestimento do fio condutor esteja em conformidade com os requisitos. É importante ressaltar que nem todos os cabos de dados possuem duas camadas de blindagem. Alguns cabos possuem múltiplas camadas, outros apenas uma, ou nenhuma. A blindagem é uma separação metálica entre duas regiões espaciais para controlar a indução e a radiação de ondas elétricas, magnéticas e eletromagnéticas de uma região para a outra. Especificamente, o núcleo condutor é envolvido por um corpo de blindagem para evitar que seja afetado por campos eletromagnéticos externos/sinais de interferência e para impedir que esses campos/sinais de interferência se propaguem. Os testes de sinal de alta frequência em pares diferenciais USB são comparáveis aos de cabos coaxiais; cabos USB 4.0 de par diferencial estão a caminho.
Data da publicação: 16 de agosto de 2022
