一秒将U盘改造成UsbType-C接口

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Type-C只是一种接口,最直观的特点是它可以正反两面插接。这样,就需要在 USB2.0协议下,将连接器 A组的 D+、 D-端直接连接到 B组的对应端。因为 USB2.0可以在480 Mbps的最大速率下运行,所以 残桩不能超过2.5 mm。我们第一个考虑的问题是把什么移植到Type-C中。现在最常用的 USB设备是U盘,那么我们可以先把它拿来试验一下。

最常见的U盘是USBType-A接口的,就是所谓的“插三次才找对方向”那种,该接口共有四个触点,从左往右分别是VBUS、D-、D+、GND。并不需要用到Type-C定义的CC接口,因此将U盘迁移到Type-C下面变得容易无比:只需要将这四根线分别对应连起来就可以了。其实刚刚有提到,为了保证信号完整性,残桩大小不得超过2.5mm,同样的,虽然平常情况下我们认为USB2.0的抗干扰性很好,但是为了保证信号高速稳定传输,还是要考虑传输线的特征阻抗才行。

在一间不能进行阻抗控制的厂家制版,那么我们就需要自行计算(估算)线宽线距等参数,尽量让差分线的特征阻抗落在90Ω±10Ω的范围内,不然信号质量将得不到保证。祭出PCB特征阻抗计算神器PolarSI9000,结合双层板的参数,计算出差分线的线宽线距等参数,只要按照这样的参数来设计板子就好了。

可以知道差分线线宽13mil,线距6mil的时候能够基本达到目标。但是这样我们还不过瘾,调整一下参数看看,发现G1和G2的宽度只要一致,对特性阻抗几乎没有什么影响。于是,我们可以放心的在差分线周边铺铜了:

画好之后测量了一下残桩的长度,大概在2.45左右,侥幸满足要求,

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这里要提一下就是由于A端与B端的D+和D-线正好是交叉分布的,所以至少需要穿过板层2次才能满足电气连接的需要。

然而板层厚度就有1.0mm,如果让某一条线穿过板子2次,那么就难以在2.5mm残桩长度的要求之下完成任务。因此在本例中让两条线各穿过板层一次,从而达到目的。

整个板子的连线方式见下图:

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板子总面积为32*30mm。

接下来就是送出制板,采购元件等。在此之前看到USBType-C的连接件时还有些忐忑,觉得引脚非常难以焊接。后来咨询了淘宝卖家(出售连接件的),才知道原来可以将后部的屏蔽壳拆下来焊接的,只不过拆下屏蔽壳之后就千万别尝试连接Type-C的插头,不然会将中间的芯顶出来,焊好之后屏蔽壳也装不回去了。由此看来Type-C的连接件是一种基于机器焊接的设计。

最初计算参数的时候,PCB板厚被设置常规厚度1.6mm了,后来仔细查阅资料的时候才发现,Type--C座子的针长还不足1.6mm,如果使用1.6mm的板厚,将完全无法将座子稳定的焊接到PCB上。因此将板厚设置成为1.0mm之后重新计算的参数。

我们先来看看座子,像Foxconn厂家的,型号有很多:

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我们选择其中的一个:

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贴片引脚完全藏起来了,无法焊接。背面:

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揭开屏蔽盖:

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依旧不容易焊接:

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这个时候千万不要连接插头,不然就是下面这个样子了:

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露在外面的引脚很容易被碰弯,赶紧装回去,焊在板子上,从Type-C口看过去,真的是正反都一样的:

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接上U盘,接上Type-A转Type-C的转接线,U盘被顺利点亮了,计算机也识别到了盘内的数据:

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貌似看不出Type-C的正反,于是找了两张不干胶胶纸,分别贴在线缆的正面和反面。当然,粘贴的方式是不一样的,一个横着贴,一个竖着贴以示区分:

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横贴贴纸面向上的时候,数据传输率:

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不干胶竖贴面向上的时候的数据传输速率:

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由此可见线缆正反面数据传输率相差不大,信号完整性在可控范围内。

用一个传输速率可以超过100MB/秒的U盘,在U盘内存储一个4G大小的视频文件,将线缆竖贴贴纸面向上:

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再将横贴贴纸面向上:

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我们知道,USB2.0的理论速度是480Mbps,那么换算成MB/秒就是60M/秒。从这里我们可以看出,基本上已经达到USB2.0的理论速率了,那么,这个U盘在USB20下工作的真实速率到底是多少呢?使用同样的文件,我们将U盘接入PC背部的USB2.0接口,再次重复这一实验:

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由此可以知道,基本上正反连接线缆都已经达到了该USB口的峰值速率。由此可见这次的实验还是很成功的。

将USB储存设备(U盘)迁移到Type-C下,看起来并不是一件太复杂的事情,并且保持不错的传输性能。(当然,没使用眼图来分析信号完整性是硬伤,因为没有示波器)。

试验后,我重新检查了一下Type-C的指示,发现还有一些地方没有那么清晰。举例来说,U盘就像一个便携设备,如果根据我目前的设计使用一个 USB插座,你会不会每次都要带一根Type-C线缆来使用这个U盘?若将U盘直接设计成插头形式,可省去一根电缆,那么会不会出现两插头设备需要相互连接的情况?在失去主从的角色之后,Type-C连接件的插头插座定义也开始变得混乱)。

 

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