USB3.0的靜噪對策

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?？梢詫?yīng)眾多外部設(shè)備，無需打開機箱便能擴展功能，讓初學(xué)者也可以簡單上手。因此，從TV turner到外部驅(qū)動，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，最高速度擴大到5Gbps的USB3.0 SuperSpeed已完成了標準的制定，對應(yīng)產(chǎn)品也即將出現(xiàn)。現(xiàn)階段應(yīng)用于USB2.0靜噪的共模扼流線圈，對USB3.0 SuperSpeed是否同樣有效還不得而知。本文就來驗證一下USB3.0 SuperSpeed使用以前的共模扼流線圈時出現(xiàn)的問題，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信號線

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

圖1：USB3.0信號線的結(jié)構(gòu)

USB3.0 SuperSpeed的靜噪對策

在USB2.0的靜噪對策的實例中，大多是在地線與電源線中插入鐵氧體磁珠，在信號線則插入共模扼流線圈。由于電氣規(guī)格與原來相同，對于USB3.0中包含的USB2.0部分只需使用同樣的靜噪對策即可 (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)致的電壓降低等問題)。問題在于USB3.0中追加的2對差分信號線。由于通過的信號速度是以前的10倍，若使用以前開發(fā)的用于USB2.0的共模扼流線圈的話信號波形質(zhì)量就很有可能出現(xiàn)問題。在此，我們將通過了USB2.0兼容性實驗的共模扼流線圈，用在USB3.0 SuperSpeed的信號線上，并實際確認了信號波形的變化。

圖2是通過了USB2.0兼容性實驗的小型共模扼流線圈DLW21HN900SQ2。如圖3所示，使用在USB2.0信號線時并未對信號波形帶來不良影響。然而，如圖4所示，USB3.0 SuperSpeed(5Gbps)的信號通過時，信號波形產(chǎn)生混亂，眼圖模板的邊緣幾乎都丟失了。由此可見，USB3.0 SuperSpeed的信號速度快，因此若要通過更高頻的信號成分，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：將過去的產(chǎn)品用于USB2.0時產(chǎn)生的波形

圖4：將過去的產(chǎn)品用于USB3.0 SuperSpeed時產(chǎn)生的波形

考慮到這些的情況，村田制作所開發(fā)出了對應(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的高速信號帶來不良影響，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，同時可以抑制信號反射造成的損失。

圖5：針對SuperSpeed的共模扼流線圈DLP11TB800UL2（開發(fā)中）

如前文所述，在USB3.0信號線中使用此產(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有變化。另外，在使用此產(chǎn)品的情況下測定了USB3.0 SuperSpeed對應(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)通過后的信號波形（校正前）

圖7：共模扼流線圈的靜噪效果

通過實驗提高Jitter Tolerance余量

對USB3.0進行了抗抖動性評測的Jitter Tolerance實驗。用于USB線靜噪對策的共模扼流線圈具有改善偏移的效果，因此對改善Jitter Tolerance實驗的偏移效果也值得期待。Jitter Tolerance實驗，是在信號中摻入抖動，測試當(dāng)摻雜了多少抖動后將無法接收信號，但因為USB的實驗沒有校正測量的偏差，若將抖動混入測定系等則會降低抗抖動性。對此，若在信號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，就能挽回由于偏移造成的抗抖動性低下。圖8是驗證了Jitter Tolerance實驗結(jié)果的共模扼流線圈的效果實例。圖表中，在每個抖動頻率，標出了剛好能滿足規(guī)定的Bit Error Rate的抖動量。圖表越是上方，抗抖動性越強。(虛線是兼容性實驗的暫定規(guī)格值)從這個例子中可以看出，使用共模扼流線圈之后，抗抖動性在幾十MHz～100MHz范圍內(nèi)得到了提高。

圖8：Jitter Tolerance評測

總結(jié)

綜上所述，USB3.0 SuperSpeed和以前的USB2.0一樣通過使用共模扼流線圈來靜噪。但由于信號頻率大幅提高，需要使用大幅改善了差分截斷頻率的共模扼流線圈。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實驗中抗抖動能力。DLP11TB800UL2是開發(fā)應(yīng)用于USB3.0 SuperSpeed，用來維持信號波形的同時能靜噪的全新的小型共模扼流線圈。今后，村田將繼續(xù)驗證其在各種新設(shè)備中的使用對策，開發(fā)新的使用方法，為客戶提供新的產(chǎn)品。