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1、你以为你了解的USB就是你了解的USB吗？USB通用串行总线通用：适用于所有场合、所有人串型：相对于并行总线，额外数据会加入数据流中总线：一堆电线USB已经存在了很长一段时间，被广泛认为是闪存或优盘的连接形式，相信大家手边都有。如果来参加我们Cadence的展会，我们还会送你几个呢。我们的手机可能也配置了微型USB，或是更微型的USB-C型连接器。这个小玩意儿的奇妙之处在于能够处理多个任务。它既是一个充电端口，又是一个数据端口，更是一个显示端口。我们即使把它装反了也没有关系，它并不像其他处理器那样存在极化（早期的USB会出问题）。在USB-C流行之前，我刚好在研究USB-C协议。 当时，Goo
2、gle是其规范开发联盟的成员。2015年初，我尝试在电线和插头之间创建一小块电路并把它藏在充电器中。电路板连接器则紧随其后。大多数人只对位于PCB上的那一半连接器对感兴趣。如果你没有在设计中使用过C型连接器，那么对以下的情况你可能会感到惊讶：首先，它远比传统USB端口复杂。图片来源：Diodes即使是最先进的PCB制造商也会为制造它而烦恼。也许有例外情况，但我从未找到一个供应商可以顺利地用一个封装完成所有要求。我们大多数人每天都需要为手机、平板或电脑充电，这造成了对连接器的频繁使用和拖拽。我的电脑虽然配置了四个USB-C连接器端口，但总有一天它们都会被损坏。图片来源：Geek等多处来源基于这个
3、原因，连接器供应商通常会指定一个非常受限的几何图形封装，并倾向于在非电镀孔和非电镀槽上的位置和尺寸容差是非常紧凑的。这是在第一次钻孔和布线之后进行的第二次钻孔，用于电镀孔和电镀槽。用于连接器主体的电镀槽通常会被推到电路板的边缘。表面贴装焊盘则正对着非电镀孔。如果我们担心整个器件的Z高度，我们将不得不使用安装在PC板插槽中的中置连接器。这个小装置可为一排引线添加通孔，同时可保留一排表面贴装焊盘。这样我们就有了非电镀孔和非电镀槽以及槽中的电镀孔，它们的位置非常邻近。图片来源：Witarea（中置）和China Connector（SMD）的产品手册当我们有一个定位孔时，金属回拉总是比电镀孔的回拉严
4、重。这部分的工艺流程是钻孔、电镀、再钻孔。 经过这些步骤之后，再将电路板放入用于非电镀孔的夹具中。这一过程可能不是同一个操作员经手、或者使用工厂内的同一台机器，因此自然可能导致变化，这就是非电镀孔周围留有较大禁用区的原因。按照供应商的保守封装，制造商很可能会给我们提出如下可制造性（DFM：design-for-manufacturability）要求：制造商1分钟前再增加个非电镀孔/槽的容差吧？制造商1分钟前对了，电路板的边缘剪掉电镀槽的焊盘好伐？制造商1分钟前SMD焊盘也从非电镀孔中修剪掉行不啦？制造商1分钟前移动或删除这些插槽行不行哇？相信我，即使是拥有业内顶尖技术的制造商也会提出这些问题
5、。即使是能够可靠地刻蚀40微米走线和空间的制造商，也难以应对USB-C连接器的封装挑战。去年，我在DesignCon参观了几家连接器供应商：安费诺（Amphenol）、台湾嘉泽（Lotes）、三达（Samtek）、泰科电子（TE）等。在Lotes展台，他们有一个直径约8英寸的圆形板并装有不同版本的USB-C连接器。我半开玩笑地和Lotes代表说应该将产品手册带给展会现场的每个PCB制造商，并要求他们对各自推荐的封装进行DFM研究。可见， 这是一个巨大的挑战。四年以来，我们已经代表制造商和我们的利润潜力与连接器供应商进行了商谈。带有电镀槽和引脚从边缘拉入设计的新产品不断进入市场。我们可以通过标准
6、钻孔操作进行扇出，我们可以找到远离连接引脚的非电镀槽/孔对。这有助于制造商提供另一种布线优势。接下来的内容解释了这么做的重要性。产品有足够的柔性吗？容差在柔性电路中更难实现，因此当我们在六层柔性电路上放置C型连接器时，会出现后座力。由于超高速差分对的隔离和笔记本电脑的电源要求，这不是一个非常灵活的柔性设计。事实上，由于特殊的零插入力（ZIF）柔性连接器在边缘连接器上没有足够的握力，我设计的设备并不能通过混凝土测试中的三英尺跌落测试。因此，我们的物理设计师迅速制作了一个从一侧悬臂伸出的小支架， 而我则清除了走线。不出所料，柔性电路的供应商在严格的限制条件下畏缩不前，并希望降低参数要求和为焊接掩模
7、开口。在这一点上，我们的物理设计师回应很赞。他告诉供应商他们正在进行制造和装配（通常是柔性装置），并且他们将自己负责所有与此项目相关的故障。据我猜测，这种承担责任的做法使得连接器供应商想要一个完美的初始封装。如果不遵守他们的设计标准，他们就不会负责这个问题。当元件供应商的要求超过晶圆厂或装配供应商的能力时，我们应该采取什么行动呢？答案很简单：把他们聚集起来，商量折中的办法。图：USB Type-C，顶部安装深入了解布线问题现在我们有一个可以由至少一家公司生产的USB-C连接器封装了。我们可以将所有ESD保护二极管放在连接器上以保护其他精密设备。布线时我们会注意到在连接器中间有一对差分走线，它们
8、无论经过SMD还是通孔都从后排连接到前排。这四个引脚代表传统的USB 2.0接口。 请记住，由于没有极性差异，配对连接器必须正面朝上或反之才能工作。我们得到的是一个非常短的差分对，它在引出ESD抑制电路之前穿过P极和N极。我们通常可以通过过孔进入电路板而不跨越差分对，然后沿着我们进入的方向在另一层开始布线而不是在线性路径中。但是这种技巧在该类型的连接器周围的有限空间内非常难以实现。我们不妨来用一个模拟设计中的老办法。PCB上打印的标准耦合器由四个端口组成，这些端口代表模拟设计中的输入、输出、终止信号和耦合信号。输入端口是终止端口的直接DC连接，而终止端口则连接到另一个引脚上的接地电阻。两条线路
9、的长度以及它们之间的间隙将确定耦合量，3 dB、10 dB和20 dB比较常见。由于该线路与另一条线路并排布线，耦合端口和输出端口均获得电能。另一方面，正交混合耦合器在相邻层上运行两条线，终止端口在相对侧而不是在与输入相同的一侧终止，形成了X形状，而交叉则被拉长以实现耦合。回到USB-C型连接器。由于可能位于不同层上，我们将两条线从中心引脚或通孔中拉出，并创建一个宽边耦合对而不是边缘耦合对以便跨越。我认为这是该布线计划的最佳解决方案。在这种情况下，我使用了第8层和第9层以及微通孔焊盘。请注意，我切换了宽边耦合线连到ESD二极管。部分截图：USB 2.0我们希望最小化长度，因为你可以根据插入配对
10、连接器的方式接合内侧或外侧的焊盘。我们依赖于存根。 而信号方面，这是电路的向后兼容部分，所以设计来讲没有问题。我们已经完成了四个引脚，还有20个。接下来的四个是很有挑战性的电源引脚。VBUS或VBAT是其通用名称。以蓝色显示在下方的TI图中。我们可以通过这两个过孔拉过来3安培。每对引脚上的三个过孔将是我们的优先选择。由于在受限制的区域，通孔解决方案看起来并不会简单整齐。图片来源：TI在USB2.0部分和电源引脚之间，我们有四个管家信号。虽然它们看起来是关联的，但它们在布线上并不是成对的。我记得被要求过增加其中一些的宽度。另外四个差分对位于电源引脚和外侧接地引脚之间。差异对有一些区域可能会被挤压，但布线是走直的。 我们会注意到设备和连接器之间的其他P极和N极的纠缠。平常的设计技巧即可以根据需要实现位的翻转。这些位的网络名称中可能包含字母SS。就良好的阻抗实践而言，超高速布线需要我们最大程度的关注。 最后，我想强调：USB-C型连接器对于制造厂而言是一个充满挑战的难题。但是优势在于它是电源和数据的一体化解决方案。只要我们还处在每秒10 Gb速度的时代里，我们就要学习如何应对。