• Alors que la pression exercée pour commercialiser des produits plus rapidement augmente, les technologies comme l’USB Type-C ne font que compliquer les tests.
• Bien comprendre le fonctionnement de ce connecteur permet de mieux identifier les zones exigeant davantage de tests, d’instruments et de montages d’essai.
• À l’inverse, selon Keysitht Technologies, ignorer son fonctionnement peut très vite rallonger de plus de deux mois votre période de test et vous coûter jusqu’à un million d’euros.
• En cas de défaillance de votre appareil au moment du contrôle de conformité de l’USB-IF, ce coût sera encore plus élevé, de même que le retard.
• Selon cet article de Keysight Technologies, considérer que la validation Type-C est un changement marginal dans votre environnement de test est à la fois incorrect et dangereux.

 
Auteur : Erik Babbé de Keysight Technologies

 

Présentation du connecteur USB Type-C

La Figure 1 présente la connexion 24 broches hautement fonctionnelle du connecteur USB Type-C. Les broches d’alimentation, V_BUS et GND prennent en charge jusqu’à 5 amps / 20 volts / 100 watts. Les quatre paires de transmission/réception (TX/RX) permettent d’utiliser à tout moment et au choix, une, deux ou quatre voies pour les transmissions de données, et assurent un débit allant jusqu’à 20 Gbps par voie. Les lignes CC1 et CC2 gèrent la définition de l’interface du connecteur au travers de trois fonctions : gestion de la configuration de l’orientation, alimentation du câble et des voies de communication pour la puissance. Les broches SBU1 et SBU2 sont des bandes latérales de communication. Elles fournissent d’autres connexions et possibilités d’utilisation pour des protocoles autres qu’USB. Une liaison USB 2 (D+, D-) simultanée peut être utilisée pour les opérations USB 2 standard ou en tant que liaison complémentaire donnant des informations sur la puissance. Les connexions D+ sont liées entre elles (comme les connexions D-) pour assurer l’indépendance de l’orientation du connecteur.

 

Figure 1. Caractéristiques du connecteur USB Type-C à 24 broches

La livraison de puissance (Power Delivery, PD) gère dynamiquement la puissance allouée en réglant la tension et le courant, et définit les rôles de fournisseur/consommateur pour tous les périphériques connectés. Les périphériques peuvent demander la puissance dont ils ont besoin et en obtenir au besoin encore davantage pour une application donnée. L’alimentation bidirectionnelle de la technologie PD permet également au périphérique alimenté de fournir lui-même d’autres appareils. Le Power Delivery permet aussi à l’USB Type-C de prendre en charge d’autres normes, par exemple le mode DisplayPort (DP) ou Thunderbolt (TBT) via le mode Alt.

Défis inhérents au test de l’USB Type-C et solutions

Les ingénieurs en charge de la conception et des tests se heurtent à plusieurs difficultés lorsqu’ils mettent à jour l’interface de leur produit pour passer de la norme USB type A/B standard à 4 broches, au connecteur USB Type-C à 24 broches. L’USB Type-C introduit des changements conceptuels en réponse aux problèmes que posent les connecteurs/câbles de type A/B, et offrent davantage de fonctions et de capacités pour les produits prêts pour l’USB Type-C. Connaître les difficultés associées aux tests et les solutions possibles facilite grandement l’intégration de l’USB Type-C et le test des périphériques.

Livraison de puissance

La capacité dynamique de la technologie PD, son éventail de configurations d’alimentation possibles et la difficulté supplémentaire que représente l’évolution des spécifications pour la conformité USB 2.0, USB 3.1 Gen 1 et Gen 2 et PD, rendent les tests de validation des périphériques USB Type-C bien plus délicats que les tests USB classiques. L’alimentation, la couche physique (PHY) et la couche de protocoles restent les principales catégories de tests pour la conformité. Les paramètres importants que les concepteurs doivent prendre en compte pour les tests incluent les nombreux niveaux de tension différents, la recharge de l’appareil, le fonctionnement des câbles et la détermination de l’état fournisseur/consommateur du périphérique.

La Figure 2 présente l’hôte et le périphérique sous forme de ports DRP (Dual Role Port) adaptés à l’environnement USB Type-C, dans lequel les rôles peuvent être intervertis. Qu’il joue le rôle d’hôte ou de périphérique à un certain moment, l’état d’un port DRP est géré par la ligne CC dans le cadre de l’infrastructure PD. Le débogage du protocole PD est l’une des plus grandes difficultés à laquelle se heurtent les ingénieurs. En effet, pour que la caractérisation soit adéquate, vous devez accéder aux lignes CC et au signal VBUS. Comme l’USB PD permet aux périphériques de sélectionner les niveaux de tension/courant dont ils ont besoin pour fonctionner, il est très important de pouvoir tester les niveaux PD à l’initialisation du périphérique.

Figure 2. Implémentation de toutes les fonctions USB Type-C

Par exemple, la configuration du test de la couche physique d’un périphérique peut inclure un oscilloscope, des sondes, une sonde de courant, le logiciel de protocole USB PD, des coupons/montages et un contrôleur PD. Avec un taux de transfert de données de 300 kHz, il est recommandé d’utiliser un oscilloscope Keysight Infiniium de 500 MHz ou plus, autorisant une durée d’enregistrement suffisamment longue pour capturer le paquet dans son intégralité. Bien qu’il s’agisse pour l’essentiel de signaux DC, la plupart ont des caractéristiques AC et impliquent que l’oscilloscope dispose de la bande passante adéquate. Il est donc conseillé d’utiliser un décalage de sonde pour voir les transitions de signal lors de l’analyse du signal d’alimentation DC 5V, puisque l’utilisation d’un bloc DC filtre le courant continu et les basses fréquences.

Émission/Réception (TX/RX)

Les spécifications USB Type-C génèrent de nombreuses nouvelles difficultés en matière de test de l’émission/réception. Pour réussir à tester l’émission, il est crucial d’être capable d’obtenir rapidement et avec précision le diagramme de l’oeil, l’horodatage LFPS et LBPM, le profil SSC transmis et les signaux SCD, et d’effectuer l’affaiblissement et le pré-dépassement (Preshoot). La génération flexible des signaux et la détection des erreurs de bit sont essentielles pour les tests de validation de réception.

La validation de la conformité TX et RX passe par l’exécution de schémas de test de conformité. Ces divers schémas de signaux sont générés au cours des tests de conformité tandis que les mesures sont réalisées par un outil appelé SigTest¹. Chaque test de conformité pose des défis particuliers. Tester la conformité USB-IF impliquera de nombreuses conditions de chargement et cela multiplie le nombre de tests que les ingénieurs devront configurer et exécuter pour chaque périphérique.

Pour ce qui est du test de conformité TX de l’USB 3.1, DP 1.3, TBT 3 et MHL, les montages de test Type-C N7015A et N7016A, à utiliser avec les oscilloscopes Keysight Infiniium, sont recommandés (voir la Figure 3). Cette solution assure la meilleure intégrité possible du signal avec une bande passante de 20 GHz (à -3 dB) et pouvant aller jusqu’à 30 GHz. Elle inclut un montage d’interface pour le raccordement Type-C qui gère le « retournement » du connecteur, et fournit le point de test et l’accès aux sondes pour les mesures d’émission et de livraison de puissance.

 

Figure 3. Montages de test avec Keysight N7015A pour signaux Type-C haut débit et N7016A pour signaux Type-C bas débit

Le modèle M8020A J-BERT High Performance 16 Gb/s BERT embarque tout ce dont vous avez besoin : l’affaiblissement, des fonctions pour les schémas, l’égalisation temporelle linéaire CTLE (Continuous-Time Linear Equalization), l’égalisation à boucle de décision DFE (Decision Feedback Equalization), la possibilité de créer diverses structures de schémas et le re-séquençage. La solution de Keysight pour tester la réception USB 3.1 donne des résultats précis et reproductibles, optimisés par les sources de gigue intégrées et calibrées dans le M8020A J-BERT (gigue aléatoire, gigue de période, SSC), l’émulation précise de l’affaiblissement pré et post-curseur et les traces de brouillage entre symboles (ISI).

Câble et connecteur

Les spécifications des voies USB Type-C, notamment les connecteurs symétriques, les données à haut débit, la puissance élevée, les nombreux types de transmission des données et la retrocompatibilité, entrainent de nombreuses configurations pour lesquelles la conformité de la voie USB doit être vérifiée. Les performances de cette voie dans les diverses configurations dépendent également de la perte, de la réflexion et de la diaphonie. Des méthodes plus rigoureuses que celles employées par le passé sont nécessaires pour éliminer les effets du montage de test, pour gérer d’autres effets sur la réponse de la voie (Figure 4), et pour gérer le niveau des interférences électromagnétiques et radios dans la voie USB Type-C pendant le test de conformité USB.

 

Figure 4. La réponse de la voie implique un changement dans la méthodologie de test pour transformer les tests paramétriques traditionnels en analyse de diagramme de l’oeil.

Pour la conformité des câbles/connecteurs, les tests classiques utilisaient un analyseur VNA pour l’analyse du domaine fréquentiel et un oscilloscope TDR pour l’analyse du domaine temporel. La nouvelle solution recommandée par Keysight est l’analyseur de réseau de la gamme ENA. Il améliore l’analyse du domaine temporel (option TDR) dans une solution tout-en-un capable de mesurer tous les paramètres liés à la conformité. Le module de calibrage électronique des fréquences microondes ECal (Electronic Calibration) N4433A est contrôlé via l’interface USB de l’analyseur ENA. Il sert à calibrer ce dernier et à éliminer les effets de la configuration du test.

La solution de test de l’USB Type-C de Keysight Technologies présente les caractéristiques suivantes :

• Matériel et tests certifiés USB-IF pour les tests Rx/Tx USB
• Matériel et tests certifiés TBT pour les tests Rx/Tx TBT
• Matériel et tests certifiés VESA pour les tests Rx/Tx DP

La forte implication de Keysight dans les groupes et ateliers de standardisation, et dans le développement de spécifications, nous permet de mettre les solutions les plus adaptees sur le marché au moment opportun.

Outre sa certification pour tous les types de technologies USB Type-C, la solution de Keysight propose :

• Une expertise de domaine
• Des outils de débogage
• L’automatisation pour toutes les technologies en un seul clic
• Des objets multiples PDO (Power Data Object)
• L’automatisation de l’orientation
• Une capacité de 100W