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Getestet: Das Hochfrequenzverhalten von USB 3.1 : Ausgabe 20/2017, 07.12.2017

Der perfekte, sehr schnelle Industrie-Bus

Würth Elektronik eiSos hat ein reiches Angebot an USB-Buchsen und Steckern. Um deren Nutzbarkeit in industriellen Anwendungen zu beweisen, hat der Hersteller elektronischer und elektromechanischer Bauteile eine aufschlussreiche Testreihe zum Hochfrequenzverhalten durchgeführt (Bild 1).

Autor: Timo Dreyer, Text und Bilder

Der benutzerfreundliche bidirektionale Steckertyp C des 3.1-Standards wird dem Siegeszug des Universal Serial Bus bei IT-Hardware und Consumer-Elektronik ein weiteres Kapitel hinzufügen – nachdem USB in der Vergangenheit bereits viele Schnittstellen völlig abgelöst hat. Die jetzt realisierte Verdopplung der Datenrate auf nunmehr 10 GBit/s (USB 3.1 Gen 2) sowie die Tatsache, dass für angeschlossene Verbraucher bis zu 100 W zur Verfügung stehen, sind überzeugende Argumente dafür, die Schnittstelle auch in industriellen Anwendungen verstärkt einzusetzen.

Low-cost-Stecker können Buchsen beschädigen

Hier konnte der «universelle» Anspruch bisher noch nicht durchgesetzt werden, denn USB hatte ein echtes Imageproblem: USB-Steckverbinder galten eher als kostengünstiges Zubehör für anspruchslose Anwendungen und nicht als robuste Industriesteckverbinder. Weil der Preisdruck bei USB-Steckverbindern extrem gross war, hatten tatsächlich viele Produkte Qualitätsmängel und waren nicht industrietauglich. Betrachten wir zunächst die mechanischen Voraussetzungen für einen Einsatz in industriellen Geräten.

Von den Spezifikationen her war USB auch bisher schon gut als Kommunikationsschnittstelle in industriellen Anwendungen geeignet. Allerdings muss man als Hersteller von Geräten mit USB-Anschlüssen damit rechnen, dass Anwender oft minderwertige Stecker und Kabel verwenden. Ein Kennzeichen hochwertiger Steckverbinder ist beispielsweise der optimierte Anbindungswinkel zwischen den Gegensteckern und den Buchsenkontakten. Beträgt der Anbindungswinkel mehr als 40 °, können die Kontakte der Buchse beim Einstecken des Steckers beschädigt werden. In der Theorie verfügen Steckverbinder über eine Fase von 30 °. In der Praxis sind diese Fasen aber nicht immer integriert. Low-cost-Stecker können also Buchsen beschädigen. Deshalb sollten Gerätehersteller die Buchsen so auslegen, dass sie sich auch für die weit verbreiteten nicht konformen Steckverbinder eignen.

Zusätzliche EMV-Absicherung ist empfehlenswert

Mit besserer Schirmung und dicker beschichteten Kontaktflächen mit entsprechender Güte des Materials genügen USB-3.1-Module auch hohen mechanischen Ansprüchen. Und mit einer minimalen Haltbarkeit von 10 000 Steckzyklen eignen sich diese Module eben auch für Geräte, die länger halten sollen.

Zweite Voraussetzung: elektromagnetische Verträglichkeit. Eigentlich sollte der USB wegen der symmetrischen Datenübertragung störfest sein. Die Verdrillung der Adern sorgt bei induktiver Störeinwirkung (Magnetfeld) für eine Kompensation der Störeinwirkung. Theo­retisch kompensieren sich die Störeinflüsse. In der Praxis kommt es jedoch zu Störungen wegen mangelnder Symmetrie der Aus- und Eingänge des USB-Controllers, mangelhafter Schnittstellenkonstruktion (Buchse, Stecker) mit schlechter Masse oder unsymmetrischen USB-Kabeln. Entwickler industrie­tauglicher Elektronik sollten zur Sicherung der Signalqualität mit einer Signalbeeinflussung rechnen und für eine zusätzliche EMV-Absicherung sorgen.

Kontrolle ist besser – Spezifikationen sollte man verifizieren

USB-Spezifikationen werden nicht immer optimal umgesetzt – damit muss man leider rechnen, wie die Eingangsbeispiele deutlich gemacht haben. Für anspruchsvolle Anwendungen sollte man verifizieren, dass USB 3.1 drinsteckt, wo 3.1 draufsteht. So müssen im PD-Mode (Power Delivery) pro Kontakt 5 A fliessen können, damit die Leistung von 100 W bei der Stromversorgung über USB erreicht werden kann. Besonders spannend ist die Frage nach der Datenrate von 10 GBit/s.

Würth Elektronik eiSos wollte es genau wissen: Sind die elektrischen Voraussetzungen dafür gegeben? Dazu wurde das Hochfrequenzverhalten des kompletten Signalwegs, hier mit Typ-C-Stecker und -Buchsen, getestet. Um das HF-Verhalten der USB-3.1-Komponenten zu bestimmen, war dabei entscheidend, alle störenden Einflüsse zu eliminieren. Die F&E-Abteilung von Würth Elektronik eiSos entwickelt dazu ein Kalibrierungsboard, dessen Streifenleitungen dieselbe Impedanz haben wie das Testboard. Das Kalibrierungsboard wurde mit dem Vector Network Analyzer durchgemessen und dieser dann so kalibriert, dass das Dämpfungsverhalten der Platine den anschliessenden Test der USB-Verbinder nicht verfälscht.

Messung bis zu einer Frequenz von 13 GHz

In der Messung wurde das HF-Verhalten bis zu einer Frequenz von 13 GHz vom Ausgangs-VIA über die Buchse, Stecker, 1 m Leitung, Stecker, Buchse und dem Eingangs-VIA betrachtet. Bild 2 zeigt den Verlauf der Dämpfung – von Port 1 nach Port 2 betrachtet (blau), und der Rücklauf von Port 2 nach Port 1 (rot) – über die gesamte Messstrecke. Erst ab einer Frequenz von 11 GHz steigt die Dämpfung stärker an.

Die Bilder 3a und 3b zeigen den Verlauf an den einzelnen Datenleitungspaarungen. Die Messungen beginnen bei einer Frequeunz von 1 GHz und enden bei 13 GHz. Ein Übereinanderlegen zeigt, dass die Laufzeiten der Signale nahezu gleich sind. Bild 3c zeigt das Übersprechen (blau) und die Dämpfung (rot) in Abhängigkeit von der Frequenz.

Die Ergebnisse können zur Verfügung gestellt werden

Es zeigte sich bei den Messungen, dass die in den USB-3.1-Spezifikationen vorgesehene Taktfrequenz von 10 GHz (10 GHz/2 ergibt eine Fundamentalfrequenz von 5 GHz) problemlos über die gesamte Strecke bedient werden kann. Die Typ-C-Stecker von Würth Elektronik eiSos würden auch bei 11 GHz noch ein sauberes Signal weitergeben. Diese Mess- ergebnisse (S-Parameter) können zur Verfügung gestellt werden und der interessierte Entwickler kann diese im Touchstone-Format in LTSpice integrieren. Damit das hervorragende HF-Verhalten der Buchsen und Stecker nicht auf die LTSpice-Simulation beschränkt bleibt, ein wichtiger Hinweis: Um das in der Messung ermittelte Frequenzverhalten nutzen zu können, muss die Leiterkarte des entwickelnden Unternehmens in puncto Lagenanbindung, VIA-Spezifikation usw. den Eigenschaften des Test-Boards entsprechen.

Zur optimalen Nutzung der Buchsen sollte sich der Anwender exakt an die Designvorgaben des Boards bezüglich Substrat, Leiterabmessungen usw. halten. Ein Aspekt, der stellvertretend für die Haltung steht, die man beim Design von Signaltechnik pflegen sollte: Wie man an der Darstellung des Testboards sieht (Bild 4), dürfen die VIAs in den Zwischenlagen keine Restringe haben. Dadurch werden unerwünschte kapazitive und induktive Effekte zwischen den Lagen vermieden.

Zahlreiche Designdetails verbessern die Schirmung

Es ist kein Zufall, dass die USB-Steckverbinder von Würth Elektronik eiSos ein so hervorragendes HF-Verhalten zeigen. Mit seinem besonderen Bewusstsein für EMV-Themen aller Art hat der Hersteller auch im Design der Stecker noch Möglichkeiten gefunden, die Schirmung zu verbessern. Bei der Typ-A-Buchse sind es erweiterte Gehäuseteile mit extra DIP-Pins. Beim Typ C wurde eine zusätzliche Masselage zwischen die beiden Kontaktreihen eingefügt: Schliesslich sollen leere Kontakte nicht als «Antennen» wirken (Bild 5).

So eignet sich USB als leistungsstarker «Industrie-Bus»

Die entsprechende Sorgfalt auf Seiten der Hersteller von Steckverbindern wie auch bei Entwicklern, die sie in industriellen Elektronikbaugruppen einsetzen, vorausgesetzt, ist USB-3.1 die perfekte «SuperSpeed+»-Kommunikationsleitung. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der verwendeten Bauteile sollten daraufhin überprüft werden, ob sie mindestens die Vorgaben der USB 3.0 Promoter Group und des USB-Implementers-Forums entsprechen. Wie das Beispiel des HF-Verhaltens zeigte, ist dann für den Einsatz in anspruchsvollen Applikationen auf jeden Fall Luft nach oben. 

Infoservice

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
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eiSos@we-online.de, www.we-online.de



Bild 1: Messaufbau zum HF-Verhalten von USB-3.1-Steckverbindern


Bild 2: Verlauf der Dämpfung über die gesamte Messstrecke


Bilder 3a und 3b: Verlauf an den einzelnen Datenleitungspaarungen


Bild 3c: Übersprechen (blau) und Dämpfung (rot) in Abhängigkeit von der Frequenz


Bild 4: Testboard mit (links) und ohne Restringe (rechts)


Bild 5: Bei der Typ-C-Buchse von Würth Elektronik eiSos schirmt eine zusätzliche Masse­lage (gelb) die Pins ab

Autor

Timo Dreyer

FAE und Technischer Trainer bei Würth Elektronik eiSos