一种USB3.0接口电连接器的设计

，德伟

(沈阳兴华航空电器有限责任公司驻117厂军事代表室，辽宁沈阳，110144)

1 前言

目前，军事/航天通信、航空、GPS(全球定位系统)以及生产设施的不断计算机化推动了技术的快速发展和变化，从而也创造出对高速传输电连接器的需求。现代战争是高技术战争，作战方式体现为具有越来越明显的海陆、空协同作战的趋势，立体化战争已成为未来战争的必然发展方向，伴随而来的是军事信息交换的剧增和反应速度的瞬时化要求。信息化网络正是这一需求强有力的技术措施，在高速信息传输中借用RJ45、USB2.0等民用接口来传输数据，把它引入军事领域，在恶劣环境下进行数据传输时民用产品不能实现高可靠性能要求，将民用RJ45、USB2.0等网络接口，利用成熟的军用电连接器技术进行改进，实现高速传输、高可靠性、耐环境性和抗冲击性等，同时又具有锁紧快速、安装及-接线方便等优点，满足现代化战争对高速信号传输的要求。

2 USB3.0介绍

2.1 什么是USB 3.0

USB 3.0也称作Super Speed USB，它的传输速度能达到5Gbps，可提供高达600MB/S的带宽，并且可以向下兼容1.1版和2.0版。USB 3.0 标准技术规范于2008年11月12日正式发行，版本为1.0。

2.2 USB3.0的接口类型

目前，有以下6种类型的USB 3.0接口；

1) USB 3.0 标准A公插和母座；可以向下兼容USB2.0的标准A 公插和母座。

2) USB 3.0 标准B公插和母座；

3) USB 3.0装有负载的B公插和母座；

4) USB 3.0 Micro-B公插和母座；

5) USB 3.0 Micro-A公插；

6) USB 3.0 Micro-AB母座；

2.3 USB 3.0特点

USB3.0接口特点如下：

a)速度更快：速率从480Mb/s提升到5Gbps；USB2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故支持双向并发数据流传输。也就是说USB 2.0的输入输出线路无法实现同时工作，即输入信号时无法输出。而在USB3.0增加的5条线路中，两条为数据输出，两条为数据输入，并且这四条线路可以实现双向同时传输。

b)更多电力，USB 3.0电耗是USB2.0的三分之一，供电量是USB2.0的2倍；

c)更省电，运作方式由Polling 变成Interrupt，支持待机、休眠和暂停等状态；

d)USB3.0向下兼容USB2.0(注意：Micro系列不兼容)，USB 3.0接口线材包含三类线芯，其中UTP信号线用来传输USB2.0 信号；

e)支持OTG(on-the-go)；即在没有主机的情况下，实现设备间数据传输；为电磁干扰(EMI)提供保护；

f)在USB 3.0 线材里，线芯被要求放入一个金属封套里。封套和插头金属外壳连接，尽可能接近360°，以防止电子干扰。

3 一种耐环境USB3.0连接器设计

鉴于USB3.0接口以上优点，可将其引入军事领域，在恶劣环境下进行数据传输时民用产品不能实现高可靠性能要求，将民用USB3.0接口，利用成熟的军用电连接器技术进行改进，实现高速传输、高可靠性、耐环境性和抗冲击性等，同时又具有锁紧快速、安装及-接线方便等优点。

3.1 主要技术指标

a)工作温度：-55℃～+125℃；

b) 工作电压：30VAC;

c) 耐电压：100VAC;

d)绝缘电阻：≥1000MΩ(常温)；

e) 振动:15g;

f) 冲击:30g;

g) 耐盐雾：500h;

3.2 接口选择

按实际要求3.0USB插座需要安装接口尺寸符合某系列方盘插座中21号壳体产品的接口及安装尺寸，内部可以实现两路USB3.0信号同时通过。为实现上述要求对USB3.0母口进行市场调研，现阶段USB3.0接口包括：A型、B型、Micro-B型、Micro-A型、Micro-AB型等，确定采用USB3.0 A型口，由于内部安装空间有限，采用双层USB3.0 A型母口以节省内部安装空间，USB3.0 A型母口外形见下图。

图1 USB3.0 A型母口外形图

USB3.0 A型母口性能如下：

a)工作电压30VAC；

b) 耐电压：常温100VAC；

c) 绝缘电阻：常温不小于1000MΩ；

d) 传输性能符合USB3.0标准要求；

e) 额定电流：1～4为1.8A,其余为0.25A；

此外，地方高校创新创业教育师资力量薄弱，现有师资缺乏相关的行业知识、科研创新能力和实践能力，难以满足传授跨学科知识的需要，在工匠精神养成方面难以发挥示范引领作用。社会对大学生创新创业关注和支持不够，鼓励创新、宽容失败的良好环境尚未形成。

f) 接触电阻：1～4为30mΩ,其余为40mΩ。

4 USB3.0连接器设计

一种耐环境双接口USB3.0连接器，包括耐环境双接口USB3.0插座、耐环境双接口USB3.0插头。

4.1 插座设计

4.1.1 插座结构设计

耐环境双接口USB3.0插座由方盘壳体、前定位块、密封圈、后定位块、挡圈、橡胶垫、USB3.0双口母座、印制线路板组成，产品结构详见图2；

图2 USB3.0插座结构图

USB3.0双口母座通过印制线路板加长转接，构成焊接模块见图3，方便后续接线。印制线路板上可实现电源线与信号线分层设计，避免相互间干扰，差分对信号线通过阻抗匹配设计保证产品线路上阻抗匹配，以满足高速传输信号的完整性。焊接模块通过前定位块见图4、后定位块见图5及挡圈见图6固定在方盘壳体见图7中，方盘壳体中装入密封圈可实现插座与插头对接间隙的密封作用，实现产品防潮湿功能，方盘壳体与插头间通过三头螺纹连接可实现产品快速连接。

图3 焊接模块示意图

图4 前定位模块示意图

图5 后定位模块示意图

图6 挡圈示意图

图7 方盘壳体示意图

4.1.2 电路板设计

由于双层90°UAB3.0母座接触对数量多(18点)、间距小(仅为2mm)，所以电路板焊盘间线路条1～4间宽度仅能为0.15mm。但USB3.0的1～4引脚的额定电流为1.8A,其余引脚的额定电流为0.25A，为保证产品额定电流，根据PCB板铜箔厚度与线路走线宽度和通流量关系表及产品尺寸进行选择，2～3引脚线路条宽0.5mm, 其余引脚线路条宽0.15mm,覆铜厚度选择70μm。

按表1 USB3.0接口信号定义要求，PCB板叠层设计为4层。GND和VCC各一层，不需要再另外布电地信号线；信号在TOP 和bottom层走线。每个USB3.0的VCC需要电流量为1.8A，根据电流量保证VCC层线宽。USB3.0的3对差分线需要按差分阻抗90ohm走线，每对差分线与其它信号的间距需要大于20mils。USB3.0的差分对布线需要保证完整的电层或者GND层参考，不允许无参考层或者跨沟。USB3.0差分对布线不允许从其它差分对之间穿插走线。

表1 USB3.0接口信号定义表

层叠结构定义：1.TOP(信号) 2.GND 3.VCC 4.BOTTOM(信号)，布线示意图见图8。

图8 布线示意图

表2 PCB板铜箔厚度与走线宽度和流量关系

图9 电路板图

4.2 插头设计

耐环境USB3.0插头由壳体、连接螺帽、弹簧爪、铆钉、屏蔽环、左定位快、右定位块、USB3.0公头线缆、并圈卡簧组成，详见图10。

插头的弹簧爪通过铆钉与连接螺帽固定，弹簧爪上冲压出的凸起与壳体外圈键齿配合，可实现在振动、冲击等环境下插头、插座的可靠连接。并圈卡簧将连接螺帽限位到壳体上。左定位块、右定位块将USB3.0公头线缆限位到壳体内部，由于插头设计相对比较简单这里就不再详细论述。

图10 USB3.0插头结构图

5 测试方案研究

通过连接器和线缆传输如此高的速率必须考虑通道的不连续性引起的失真。为了将失真程度保持在一个可控的水平，标准规定了线缆和连接对的阻抗和回波损耗。最新的测量使用S参数S11表征而且必须归一化到线缆的90欧姆差分阻抗。反射电压与发射器和待测器件之间的阻抗失配成比例，关系如下式：

Z0是源阻抗，ZL(t)是待测器件的阻抗，r(t)是反射系数，Vr(t)/Vi(t)是入射和发射电压的比率。式(1)假设到待测器件的源，线缆和连接器都是匹配的，但事实上这种情况很少见。为了补偿线缆和连接器的不理想，参考平面校正(基线校正)通常进行开路，短路，负载校准。调整式(1)可以得到待测器件的阻抗和时间(或距离)的函数，所以可以使用校准过的TDR做阻抗测量。

图11展示了USB3.0带有连接器线缆的的阻抗曲线。曲线表明了随着TDR阶跃信号在线缆中的行进阻抗变化是时间的函数。注意轨迹两头的阻抗变化，那是由于连接器引起的，当使用上升时间100ps(阶跃信号)测试时连接器的阻抗规定是90±7欧。TDR的上升时间非常重要，因为阻抗变化和TDR阶跃信号的上升时间成反比，而规范规定的USB3.0信号的上升时间是100ps，测量中匹配这个上升时间将给出信号“看到的”阻抗。

图11 USB3.0带有连接器线缆的差分阻抗vs时间测量

回波损耗或S11是频域的测量和反射系数有关。归一化(通过反射平面校准基线校正)反射系数的傅里叶变换给出了回波损耗是频率的函数。图12给出了USB3.0线缆和连接器测量的结果。图中的横轴表示2GHz/div，范围是0～20GHz，纵轴表示10dB/div。回波损耗在2GHz大约是15dB,但随着频率的增加开始变得越来越小。精细的空值间隔是由线缆末端的连接器引起的，较大的空值间隔是由于连接器内部的阻抗结构决定的。

图12 USB3.0带有连接器线缆的差分回波损耗

回波损耗可以参考图11中线缆和连接器阻抗是90欧而TDR系统差分阻抗是100欧，由于USB3.0发射机阻抗是90欧，这个不匹配人为地减少了回波损耗。为了正确的表达回波损耗，将阻抗转化为测试到的S11是非常必要的，转换关系由下式给出。

(2)

转化可以分为两步。首先，用特征阻抗是100欧姆的测试系统得出的复数S参数计算出复数的负载阻抗。其次，用新的90欧姆参考阻抗计算出负载阻抗的S参数。回波损耗是频率的函数，所以可以计算出每个频点的S参数。

举个例子，用100欧姆阻抗表征的复合回波损耗S11=0.53-0.12J转换到90欧姆的如下：

式2用来将图12中测到的插损转换到90欧姆差分阻抗。图13中的两个曲线给出了100欧姆和90欧姆特征阻抗的的回波损耗。

图13 100欧姆(绿色虚线)和90欧姆参考(蓝色实线)的回波损耗

USB3.0线缆和连接器的差分阻抗可以使用校正的TDR系统测量插损而得出。通过对连接到待测器件的参考平面(基线校正)运行开路，短路，负载进行校正。通过简单的转换测试系统和待测器件之间的不同阻抗进行插损补偿。

6 结论

按照上述方法设计的耐环境USB3.0连接器，经过试制和试验验证，各项指标及传输效果满足用户使用要求。

参考文献：

[1] 杨奋为，军用电连接器的应用及发展，机电元件，2007年

[2] 刘策，USB3.0接口全方位解析

[3] 解析USB3.0连接器的阻抗和插损测试，中国百科网