支持USB 3.2 RFI System-Level Test的噪声对策解决方案

2023/08/28

外部I/O连接器的动向

以笔记本PC为代表的电子设备所使用的外部接口有USB、HDMI、Displayport等各式各样的标准。此外，每种接口的连接器也有自己的标准，处于有各种形状的连接器和电缆大量存在的状况。在这种情况下，一台电子设备要按照每种用途分别连接不同的电缆，非常繁琐，存在对消费者来说非常不方便的问题。

因此，近年来出现了一种将大量的连接器标准统一为Type-C连接器这1种，使用1根Type-C电缆就能兼容各种接口的动向。在笔记本PC当中，只用1根电缆就能实现充电、视频传输和数据传输，以此为切入点，预计在其他电子设备中也将逐渐普及。
欧盟委员会发布的将充电标准统一为Type-C的强制性法律也起了推动作用，预计Type-C连接器将在2024年左右成为事实上的标准。

与USB Type-C相关的新噪声标准

随着Type-C的普及，USB-IF制定了与USB通信相关的新噪声标准。
它就是USB3.2 RFI System-Level Test（RFI Test）。
这套标准考虑到了USB3.2通信过程中的噪声对周围的鼠标和耳机等无线设备产生干扰并导致误动作的问题。这样的干扰问题近年来变得越来越明显，各电子设备制造商都在根据自己的指标致力提高质量。迄今为止的通信质量关注一直基于各制造商的判断，但对USB产生的噪声需要规定一定的水平，这就是本次制定标准的目的。

本标准的对象设备是笔记本PC、平板电脑、智能手机、扩展坞等，具有Type-C连接器并支持5 Gbps或更高速度的设备。由此，为了获得Type-C的USB标志认证并让设备出厂，就需要达到本标准规定的水平。

※使用Type-A等以前的连接器标准时也会出现干扰问题，但不属于本标准的对象。

新噪声标准：USB 3.2 RFI System-Level Test（RFI Test）
标准机构：USB-IF
对象设备：笔记本PC、平板电脑、智能手机、扩展坞等
（配备Type-C连接器并支持5Gbps或更高的速度）

［目的］
无线通信质量水平的标准化、对市场的影响

RFI Test的概要

RFI Test使用RFI System-Level Test Fixture（以下简称Fixture）进行测试。
该Fixture是USB-IF定义的官方夹具，可将Type-C连接器转换为SMA。测试系统将Fixture插入EUT的Type-C插座中，并通过同轴电缆连接到频谱分析仪，如下图右上角所示。此时，Fixture和EUT设置在电波暗箱中。
此时，从EUT发出测试信号，对频谱分析仪观测到的噪声是否满足限制值进行判断。

由于这是迄今为止尚未制定噪声管制标准的领域，且限制值非常小，如下图右下所示，因此可以想象，各电子设备制造商的常规设计无法满足标准，并且会出现新的噪声问题。因此，本公司引进该标准的测量设备，并致力于阐明RFI Test的测量原理和噪声问题。

RFI Test的测量原理

显示RFI Test的测量原理。下图显示了RFI Test测量系统的示意图。
橙色部分是EUT的GND，它连接到Fixture的Type-C连接器及芯线。
蓝色部分为测量中的基准GND，电波暗箱、同轴电缆外屏蔽、Fixture外壳为等电位。
此外，Fixture内部绿色部分为内部电路板，其作用是通过安装在电路板上的50Ω电阻来端接从EUT输出到Tx1±的测试信号。在此，测试信号（CP0）为5Gbps随机高速信号，它是一种相当于USB3.2 Gen1的信号。

因此，可以看出，RFI Test在Tx1±上传输USB3.2 Gen1信号时，观测传导至EUT Type-C连接器GND的噪声。

川越光科技有限公司_Advantage of RFI System Level Test Solution

噪声产生机制

说明RFI Test中的噪声产生机制。产生噪声的原因有2个。

一个是不等长布线和IC内信号之间的Skew产生的共模信号，另一个是电路板GND和连接器GND之间的阻抗不匹配导致的模式转换。

此外，作为噪声对策，配备CMCC（共模扼流线圈）及强化Type-C的GND是有效的，通过这些对策可以阻止向Type-C连接器的GND传导的噪声。

［产生噪声的原因①］
由于电路板GND和连接器GND之间的阻抗不匹配而导致模式转换
⇒（对策）通过强化GND实现阻抗匹配

［产生噪声的原因②］
不等长布线和IC内信号之间的Skew产生的共模信号
⇒（对策）通过在信号布线上配备CMCC来衰减共模信号

噪声机制调查

我们使用带有Type-C连接器的测试电路板，在接近用实际设备进行测试的环境中验证了噪声机制。下图为我们使用的测试系统。使用任意信号发生器（AWG）作为信号源输入5Gbps信号。此外，来自AWG的信号通过同轴Type-C转换夹具输入到测试电路板。此时，在AWG上让Tx±线之间产生60ps的Skew，从而产生共模信号。

在这些条件下，我们观测了传导至测试电路板的Type-C连接器GND的噪声。
接下来，我们还确认了实施强化Type-C连接器的GND以及在Tx±线上配备共模扼流圈（CMCC）等噪声对策后的结果。

测试结果如下所示。
蓝色光谱是施加Skew 60ps后的初始噪声测试结果。红色光谱是强化Type-C连接器的GND后的测试结果，除此之外，绿色光谱是将CMCC配备到Tx±线上后的测试结果。
如图所示，我们在接近用实际设备进行测试的条件下观测了向连接器GND传导的噪声。另一方面，我们确认通过采取噪声对策，向Type-C连接器的GND传导的噪声会降低。

通过RFI Test进行的确认

通过使用测试电路板进行的调查明确了噪声机制和对策。
接下来，我们通过将其应用到使用实际设备进行的RFI Test，确认了这种对策方法是否有效。
测试系统如图所示。此次，我们构建了符合USB-IF标准的测试系统，将EUT作为笔记本PC进行了RFI Test。选择两种机型的笔记本PC，分别使用Intel（Alder Lake）型号和AMD（Ryzen 5 5500U）型号。该笔记本PC的选择基准是配备Type-C连接器并支持USB3.2 Gen1，而且要支持输出RFI Test所需测试信号时需要的的工具（XHSETT）。