USB——通用串行總線

通用：適用于所有場合、所有人

串型：相對于并行總線，額外數據會加入數據流中

總線：一堆電線

USB已經存在了很長一段時間，被廣泛認為是閃存或優盤的連接形式，相信大家手邊都有。如果來參加我們Cadence的展會，我們還會送你幾個呢。我們的手機可能也配置了微型USB，或是更微型的USB-C型連接器。

這個小玩意兒的奇妙之處在于能夠處理多個任務。它既是一個充電端口，又是一個數據端口，更是一個顯示端口。我們即使把它裝反了也沒有關系，它并不像其他處理器那樣存在極化（早期的USB會出問題）。

在USB-C流行之前，我剛好在研究USB-C協議。 當時，Google是其規范開發聯盟的成員。2015年初，我嘗試在電線和插頭之間創建一小塊電路并把它藏在充電器中。電路板連接器則緊隨其后。

大多數人只對位于PCB上的那一半連接器對感興趣。如果你沒有在設計中使用過C型連接器，那么對以下的情況你可能會感到驚訝：首先，它遠比傳統USB端口復雜。

圖片來源：Diodes.com

即使是最先進的PCB制造商也會為制造它而煩惱。也許有例外情況，但我從未找到一個供應商可以順利地用一個封裝完成所有要求。我們大多數人每天都需要為手機、平板或電腦充電，這造成了對連接器的頻繁使用和拖拽。我的電腦雖然配置了四個USB-C連接器端口，但總有一天它們都會被損壞。

圖片來源：Geek.com等多處來源

基于這個原因，連接器供應商通常會指定一個非常受限的幾何圖形封裝，并傾向于在非電鍍孔和非電鍍槽上的位置和尺寸容差是非常緊湊的。這是在第一次鉆孔和布線之后進行的第二次鉆孔，用于電鍍孔和電鍍槽。用于連接器主體的電鍍槽通常會被推到電路板的邊緣。表面貼裝焊盤則正對著非電鍍孔。如果我們擔心整個器件的Z高度，我們將不得不使用安裝在PC板插槽中的中置連接器。這個小裝置可為一排引線添加通孔，同時可保留一排表面貼裝焊盤。這樣我們就有了非電鍍孔和非電鍍槽以及槽中的電鍍孔，它們的位置非常鄰近。

圖片來源：Witarea（中置）和China Connector（SMD）的產品手冊

當我們有一個定位孔時，金屬回拉總是比電鍍孔的回拉嚴重。這部分的工藝流程是鉆孔、電鍍、再鉆孔。 經過這些步驟之后，再將電路板放入用于非電鍍孔的夾具中。這一過程可能不是同一個操作員經手、或者使用工廠內的同一臺機器，因此自然可能導致變化，這就是非電鍍孔周圍留有較大禁用區的原因。按照供應商的保守封裝，制造商很可能會給我們提出如下可制造性（DFM：design-for-manufacturability）要求：

制造商1分鐘前

再增加個非電鍍孔/槽的容差吧？

制造商1分鐘前

對了，電路板的邊緣剪掉電鍍槽的焊盤好伐？

制造商1分鐘前

SMD焊盤也從非電鍍孔中修剪掉行不啦？

制造商1分鐘前

移動或刪除這些插槽行不行哇？

相信我，即使是擁有業內頂尖技術的制造商也會提出這些問題。即使是能夠可靠地刻蝕40微米走線和空間的制造商，也難以應對USB-C連接器的封裝挑戰。

去年，我在DesignCon參觀了幾家連接器供應商：安費諾（Amphenol）、***嘉澤（Lotes）、三達（Samtek）、泰科電子（TE）等。在Lotes展臺，他們有一個直徑約8英寸的圓形板并裝有不同版本的USB-C連接器。我半開玩笑地和Lotes代表說應該將產品手冊帶給展會現場的每個PCB制造商，并要求他們對各自推薦的封裝進行DFM研究。可見， 這是一個巨大的挑戰。

四年以來，我們已經代表制造商和我們的利潤潛力與連接器供應商進行了商談。帶有電鍍槽和引腳從邊緣拉入設計的新產品不斷進入市場。我們可以通過標準鉆孔操作進行扇出，我們可以找到遠離連接引腳的非電鍍槽/孔對。這有助于制造商提供另一種布線優勢。接下來的內容解釋了這么做的重要性。

產品有足夠的柔性嗎？

容差在柔性電路中更難實現，因此當我們在六層柔性電路上放置C型連接器時，會出現后座力。由于超高速差分對的隔離和筆記本電腦的電源要求，這不是一個非常靈活的柔性設計。事實上，由于特殊的零插入力（ZIF）柔性連接器在邊緣連接器上沒有足夠的握力，我設計的設備并不能通過混凝土測試中的三英尺跌落測試。因此，我們的物理設計師迅速制作了一個從一側懸臂伸出的小支架， 而我則清除了走線。

不出所料，柔性電路的供應商在嚴格的限制條件下畏縮不前，并希望降低參數要求和為焊接掩模開口。在這一點上，我們的物理設計師回應很贊。他告訴供應商他們正在進行制造和裝配（通常是柔性裝置），并且他們將自己負責所有與此項目相關的故障。據我猜測，這種承擔責任的做法使得連接器供應商想要一個完美的初始封裝。如果不遵守他們的設計標準，他們就不會負責這個問題。

當元件供應商的要求超過晶圓廠或裝配供應商的能力時，我們應該采取什么行動呢？答案很簡單：把他們聚集起來，商量折中的辦法。

圖：USB Type-C，頂部安裝

深入了解布線問題

現在我們有一個可以由至少一家公司生產的USB-C連接器封裝了。我們可以將所有ESD保護二極管放在連接器上以保護其他精密設備。布線時我們會注意到在連接器中間有一對差分走線，它們無論經過SMD還是通孔都從后排連接到前排。這四個引腳代表傳統的USB 2.0接口。 請記住，由于沒有極性差異，配對連接器必須正面朝上或反之才能工作。我們得到的是一個非常短的差分對，它在引出ESD抑制電路之前穿過P極和N極。

我們通常可以通過過孔進入電路板而不跨越差分對，然后沿著我們進入的方向在另一層開始布線而不是在線性路徑中。但是這種技巧在該類型的連接器周圍的有限空間內非常難以實現。我們不妨來用一個模擬設計中的老辦法。PCB上打印的標準耦合器由四個端口組成，這些端口代表模擬設計中的輸入、輸出、終止信號和耦合信號。輸入端口是終止端口的直接DC連接，而終止端口則連接到另一個引腳上的接地電阻。兩條線路的長度以及它們之間的間隙將確定耦合量，3 dB、10 dB和20 dB比較常見。由于該線路與另一條線路并排布線，耦合端口和輸出端口均獲得電能。

另一方面，正交混合耦合器在相鄰層上運行兩條線，終止端口在相對側而不是在與輸入相同的一側終止，形成了X形狀，而交叉則被拉長以實現耦合。

回到USB-C型連接器。由于可能位于不同層上，我們將兩條線從中心引腳或通孔中拉出，并創建一個寬邊耦合對而不是邊緣耦合對以便跨越。我認為這是該布線計劃的最佳解決方案。在這種情況下，我使用了第8層和第9層以及微通孔焊盤。請注意，我切換了寬邊耦合線連到ESD二極管。

部分截圖：USB 2.0

我們希望最小化長度，因為你可以根據插入配對連接器的方式接合內側或外側的焊盤。我們依賴于存根。 而信號方面，這是電路的向后兼容部分，所以設計來講沒有問題。

我們已經完成了四個引腳，還有20個。接下來的四個是很有挑戰性的電源引腳。VBUS或VBAT是其通用名稱。以藍色顯示在下方的TI圖中。我們可以通過這兩個過孔拉過來3安培。每對引腳上的三個過孔將是我們的優先選擇。由于在受限制的區域，通孔解決方案看起來并不會簡單整齊。

圖片來源：TI

在USB2.0部分和電源引腳之間，我們有四個管家信號。雖然它們看起來是關聯的，但它們在布線上并不是成對的。我記得被要求過增加其中一些的寬度。

另外四個差分對位于電源引腳和外側接地引腳之間。差異對有一些區域可能會被擠壓，但布線是走直的。 我們會注意到設備和連接器之間的其他P極和N極的糾纏。平常的設計技巧即可以根據需要實現位的翻轉。這些位的網絡名稱中可能包含字母SS。就良好的阻抗實踐而言，超高速布線需要我們最大程度的關注。 最后，我想強調：USB-C型連接器對于制造廠而言是一個充滿挑戰的難題。但是優勢在于它是電源和數據的一體化解決方案。只要我們還處在每秒10 Gb速度的時代里，我們就要學習如何應對。