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Wie Sie USB-Steckverbinder richtig implementieren

| Autor / Redakteur: Thomas Robok * / Kristin Rinortner

Die USB-3.1-Schnittstelle kann auch in der Industrie die perfekte „SuperSpeed+“-Kommunikationsleitung sein. Was Geräteentwickler bei der Implementierung beachten sollten, zeigt der Beitrag.

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USB-Steckverbinder: In einem umfangreichen Test auf Industrietauglichkeit überzeugte das Hochfrequenzverhalten von USB 3.1.
USB-Steckverbinder: In einem umfangreichen Test auf Industrietauglichkeit überzeugte das Hochfrequenzverhalten von USB 3.1.
(Bilder: Würth Elektronik eiSos)

Bei IT-Hardware und Consumer-Elektronik hat der Universal Serial Bus (USB) bereits viele Schnittstellen abgelöst. Der benutzerfreundliche bidirektionale Steckertyp C des 3.1-Standards wird den Siegeszug in diesen Industriebereichen weiter vorantreiben. In industriellen Anwendungen ist USB allerdings nicht ganz so weit verbreitet.

Aber die jetzt realisierte Verdopplung der Datenrate auf 10 GBit/s (USB 3.1 Gen 2) sowie die Tatsache, dass für angeschlossene Verbraucher bis zu 100 W zur Verfügung stehen, liefern starke Argumente für die Industrie. Bleibt nur das Imageproblem: USB-Steckverbinder galten bisher eher als kostengünstiges Zubehör für anspruchslose Anwendungen und deutlich weniger als robuste Industriesteckverbinder. Viele Produkte hatten Qualitätsmängel und waren schlicht nicht industrietauglich, auch weil der Preisdruck bei USB-Steckverbindern extrem groß war.

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Hochwertige Bauteile sind Pflicht

Rein technisch war USB auch bisher schon gut als Kommunikationsschnittstelle in industriellen Anwendungen geeignet. Man sollte allerdings als Hersteller von Geräten mit USB-Anschlüssen damit rechnen, dass Anwender oft minderwertige Steckverbinder 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 Steckverbinders beschädigt werden.

In der Theorie verfügen Steckverbinder über eine Fase von 30°. In der Praxis sind diese Fasen aber nicht immer integriert. Low-cost-Steckverbinder können also Buchsen beschädigen. Deshalb sollten Gerätehersteller die Buchsen marktkonform und damit so auslegen, dass sie sich auch für nicht konforme Steckverbinder eignen. USB-3.1-Module mit besserer Schirmung und dicker beschichteten Kontaktflächen mit entsprechender Güte des Materials genügen 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.

Ein anderes USB-Qualitätsthema ist die 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.

HF-Verhalten des kompletten Signalwegs testen

Die beiden einleitenden Beispiele zeigen, dass die USB-Spezifikationen nicht immer optimal umgesetzt werden. Das verlangt Vorsichtsmaßnahmen. Also etwa Tests, um zu 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. Die Ingenieure bei Würth Elektronik eiSos haben das Hochfrequenzverhalten des kompletten Signalweges, hier mit Typ-C-Stecker und -Buchsen, getestet.

Störeinflüsse mit einem Kalibrier-Board eliminieren

Um das HF-Verhalten der USB-3.1-Komponenten zu bestimmen, ist es entscheidend, alle störenden Einflüsse zu eliminieren. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung in Waldenburg hat dazu ein Kalibrierungs-Board entwickelt, dessen Streifenleitungen dieselbe Impedanz haben wie das Test-Board.

Das Kalibrierungs-Board wurde mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator durchgemessen und dieser dann so kalibriert, dass das Dämpfungsverhalten der Platine den anschließenden Test der USB-Verbinder nicht verfälscht. 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 3 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 11 GHz steigt die Dämpfung stärker an. Die Bilder 2a und 2b zeigen den Verlauf an den einzelnen Datenleitungspaarungen. Die Messungen beginnen bei 1 GHz und enden bei 13 GHz. Ein Übereinanderlegen zeigt, dass die Laufzeiten der Signale nahezu gleich sind. Bild 2c zeigt das Übersprechen (blau) und die Dämpfung (rot) in Abhängigkeit von der Frequenz.

Ergebnisse

Die Messungen zeigen, dass die in den USB-3.1-Spezifikationen vorgesehene Taktung von 10 GHz Taktfrequenz (10 GHz/2 ergibt eine Fundamentalfrequenz von 5 GHz) problemlos über die gesamte Strecke übertragen werden kann. Die Typ-C-Stecker von Würth Elektronik eiSos würden auch bei 11 GHz noch ein sauberes Signal weitergeben.

Diese Messergebnisse (S-Parameter) müssen im Touchstone Format aus dem Netzweranalysator kommen und können von dem interessierten Entwickler in LT-Spice Library files umgewandelt und in LTSpice integriert werden. 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 zu nutzen, 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 etc. 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 3), dürfen die VIAs in den Zwischenlagen keine Restringe haben. Dadurch werden unerwünschte kapazitive und induktive Effekte zwischen den Lagen vermieden.

Das HF-Verhalten der USB-Steckverbinder kommt nicht von ungefähr. Mit seinem besonderen Bewusstsein für EMV-Themen aller Art hat der Hersteller auch im Design der Steckverbinder 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 (Bild 4): Schließlich sollen leere Kontakte nicht als „Antennen“ wirken.

Fazit: Wenn die Hersteller von Steckverbindern wie auch Entwickler, die sie in industriellen Elektronikbaugruppen einsetzen, der-USB 3.1-Schnittstelle mit der nötigen Sorgfalt begegnen, ist sie 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 auf jeden Fall Luft nach oben, was den Einsatz in anspruchsvollen Applikationen jenseits von USB-Stick und Handykabel betrifft.

* Thomas Robok arbeitet als FAE und Technischer Trainer bei der Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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