- USB連接器在車(chē)輛上使用的基礎(chǔ)原理
- 汽車(chē)USB連接器的測(cè)試和鑒定
- 阻抗范圍（90±15%）
- 傳播時(shí)延（<26ns）
- 傳播時(shí)延差（<100ps）
- 衰減率（<5.8dB，f=400MHz）
- 屏蔽范圍（最小20dB，30MHz～1GHz）
在過(guò)去的十多年中，集成化的通信技術(shù)在各類(lèi)車(chē)輛上的應(yīng)用得以迅猛發(fā)展。汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電裝置無(wú)疑已成為汽車(chē)中的“主體單元”，負(fù)責(zé)對(duì)大量應(yīng)用和功能設(shè)備進(jìn)行中央?yún)f(xié)調(diào)。
與此同時(shí)，電子產(chǎn)品（如筆記本電腦、iPods、移動(dòng)電話(huà)、MP3播放器和存儲(chǔ)棒等）在汽車(chē)中的應(yīng)用范圍也在不斷增加，因此，必須確保電子產(chǎn)品與現(xiàn)有車(chē)載設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕涣硗猓瑪?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不僅在中高檔和豪華型車(chē)輛上進(jìn)行裝配，而且還將逐步發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)配置車(chē)輛上，這已經(jīng)成為當(dāng)前的主流趨勢(shì)。
USB正逐步發(fā)展成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議。雖然目前市場(chǎng)上已能提供大量相關(guān)的傳輸配件，特別是在連接技術(shù)方面（如連接器和傳輸線(xiàn)），而且這些配件使用起來(lái)也很方便和快捷，但在某些場(chǎng)合下，使用這些產(chǎn)品會(huì)使應(yīng)用變得復(fù)雜且具有風(fēng)險(xiǎn)性。
對(duì)于目前車(chē)內(nèi)逐漸開(kāi)始使用的USB接口設(shè)備，其連接器和線(xiàn)纜往往不是根據(jù)車(chē)載惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)的。因此，最簡(jiǎn)線(xiàn)路設(shè)計(jì)未必就是最成功的設(shè)計(jì)。
設(shè)備上松散敷設(shè)的線(xiàn)纜、適配器導(dǎo)線(xiàn)，尤其是屏蔽較差的線(xiàn)路連接，會(huì)明顯惡化車(chē)輛內(nèi)部的電磁狀況。
基于多年量產(chǎn)化產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，泰科電子（TycoElectronics）認(rèn)為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)還必須滿(mǎn)足許多其他在車(chē)輛使用中的邊界條件，包括非常苛刻的環(huán)境要求，例如在遭受振動(dòng)、潮濕、氣體污染和機(jī)械應(yīng)力的情況下，相關(guān)部件必須能在指定的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。這些要求將確保車(chē)輛相關(guān)部件擁有15～20年左右的使用壽命。
當(dāng)然，這些功能也與汽車(chē)制造廠直接相關(guān)；另外，接插使用次數(shù)也是USB連接器非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。盡管移動(dòng)電話(huà)、計(jì)算機(jī)等許多電子產(chǎn)品每?jī)扇瓯阋鼡Q一次，但經(jīng)測(cè)算，車(chē)輛用USB接口必須在大約20年的使用壽命里可保證接插20000次。圖1所示為泰科電子的可靠的汽車(chē)USB連接技術(shù)。
在今后幾年內(nèi)接口將向小型化發(fā)展，因此使用小型或微型USB接口就只是時(shí)間問(wèn)題了。泰科電子通過(guò)綜合的產(chǎn)品概念來(lái)解決這些問(wèn)題，其原理是通過(guò)使用與車(chē)輛用途全面兼容的連接器和線(xiàn)纜，再結(jié)合可靈活更換的USB適配器來(lái)解決。
高速連接器在車(chē)輛上使用的基礎(chǔ)原理
在開(kāi)發(fā)適用于高頻車(chē)用連接系統(tǒng)時(shí)，首要考慮其在惡劣環(huán)境下使用時(shí)的精確度、機(jī)械強(qiáng)度和總體適用性的設(shè)計(jì)問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)高頻電信號(hào)通過(guò)線(xiàn)纜和接口的無(wú)干擾數(shù)據(jù)通信，如下特性同樣非常重要：傳輸線(xiàn)路上的恒阻抗；絕緣材料介質(zhì)損耗小；連接器采用良好的低電阻的端子連接；成對(duì)信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)規(guī)則絞線(xiàn)；屏蔽部分重復(fù)覆蓋。
很明顯，如果不做額外努力，這些特殊要求將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，我們還必須注意到，有些條件還是互相矛盾的。更重要的是如何選擇端子連接系統(tǒng)，它必須能保證在車(chē)輛使用壽命內(nèi)端接良好。這里可能面臨的問(wèn)題包括低接觸電阻和阻抗，以及插座和端子觸點(diǎn)的接插區(qū)的同質(zhì)性。
基于上述原因，泰科電子選擇MQS（MicroQuadlock）端子連接系列應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)已在各類(lèi)車(chē)輛上經(jīng)多年驗(yàn)證，如果配上其對(duì)稱(chēng)型連接器的設(shè)計(jì)，原則上也適用于數(shù)據(jù)傳輸。圖1上半部分顯示了基于MQS連接的4位屏蔽連接器系統(tǒng)。
圖1泰科電子的可靠的汽車(chē)USB連接技術(shù)
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在這里，整個(gè)接插件都采用屏蔽設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)一方面能確保連接區(qū)域的穩(wěn)定阻抗，另一方面能滿(mǎn)足汽車(chē)電磁兼容性（照射、輻射）的高要求。
為汽車(chē)集成設(shè)計(jì)的USB接口連接器概念
當(dāng)今，幾乎每種電子消費(fèi)產(chǎn)品都擁有標(biāo)準(zhǔn)型A、B或迷你型的USB接口。在汽車(chē)中使用這種接口的一個(gè)不可忽視的問(wèn)題是如何確保在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)插拔后連接系統(tǒng)的可靠性。假設(shè)每天平均使用3次，每年約使用1000次，那么在汽車(chē)20年的使用壽命中接插次數(shù)可高達(dá)20000次。
不同的設(shè)備會(huì)要求不同種類(lèi)的USB接口。如何選擇接口的安裝位置同樣需要考慮駕駛員的人機(jī)工程學(xué)的要求。
基于上述原因，泰科電子開(kāi)發(fā)了一套能滿(mǎn)足以上所有要求，同時(shí)又為客戶(hù)進(jìn)一步改裝帶來(lái)便利的連接系統(tǒng)。此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)核心在于USB接口的易換性，此技術(shù)也稱(chēng)為USB適配器。它什么時(shí)候都可以更換，比如每年一次。
在車(chē)內(nèi)信號(hào)通過(guò)屏蔽的USB線(xiàn)纜傳輸至相關(guān)的USB控制單元，如“主體單元”。這種連接方式是經(jīng)過(guò)各種汽車(chē)應(yīng)用規(guī)范測(cè)試的。在完全屏蔽的情況下，這種連接器同樣能滿(mǎn)足480MBit/s的USB高速傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這樣就能確保USB接口到控制單元阻抗的穩(wěn)定性和良好的電磁兼容性。與“主體單元”連接的4位連接器和本文中提及的MQS接插件原理相同。此便捷又經(jīng)濟(jì)的可替換USB適配器設(shè)計(jì)原理，在其他接口上也同樣適用，如迷你型USB接口。
測(cè)試和鑒定
所有提及部件已根據(jù)SAE/USCAR-30草案/08-2006規(guī)范進(jìn)行過(guò)相關(guān)測(cè)試。特別值得一提的是，對(duì)連接器進(jìn)行溫度循環(huán)和環(huán)境測(cè)試相結(jié)合的測(cè)試。USCAR-30規(guī)范要求綜合測(cè)試這些接插件，可以說(shuō)，既要滿(mǎn)足“用戶(hù)”的需求，又要滿(mǎn)足“車(chē)輛”的要求。因此每5000次才有替換USB適配器的必要，也就是約每5年一次。
電磁兼容性能對(duì)于接插件技術(shù)的質(zhì)量也是至關(guān)重要的。為證明這項(xiàng)性能，在運(yùn)行中的USB接口已根據(jù)相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率，應(yīng)根據(jù)高頻參數(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
根據(jù)SAE/USCAR-30草案/08-2006規(guī)范所涉及USB2.0修訂本說(shuō)明的一些主要的高頻參數(shù)如下：
1.阻抗范圍（90±15%）；
2.傳播時(shí)延（<26ns）；
3.傳播時(shí)延差（<100ps）；
4.衰減率（<5.8dB，f=400MHz）；
5.屏蔽范圍（最小20dB，30MHz～1GHz）。
傳播通路中阻抗不連續(xù)性將會(huì)導(dǎo)致反射損失和信號(hào)失真。借助時(shí)域反射計(jì)（TDR），阻抗值可用時(shí)間函數(shù)直接顯示出來(lái)（見(jiàn)圖2），以便時(shí)刻監(jiān)測(cè)該數(shù)值是否符合USB系統(tǒng)的規(guī)定系統(tǒng)公差。
圖2可替換的USB適配器的阻抗圖
泰科電子的USB連接器系統(tǒng)同時(shí)滿(mǎn)足阻抗、傳播時(shí)延（兩個(gè)設(shè)備間信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間）和傳播時(shí)延差（差分對(duì)內(nèi)偏移）的要求。除了這些參數(shù)，衰減率也是具有重要影響的標(biāo)稱(chēng)值之一。互連衰減將引起信號(hào)失真并影響系統(tǒng)的功率設(shè)計(jì)。
電子數(shù)據(jù)鏈路必須完成兩項(xiàng)主要任務(wù)：一是數(shù)據(jù)傳輸，二是不影響周?chē)h(huán)境。因此，必須注意保證電線(xiàn)和接插件屏蔽以及接插件和接插件屏蔽間極低的感應(yīng)互連。通過(guò)屏蔽效能參數(shù)，可以看出如連接器、線(xiàn)纜和連接器組件等無(wú)源元件的屏蔽質(zhì)量。屏蔽效能提供了電磁干擾的可消除的參數(shù)范圍。絕對(duì)輻射值的最小化和抗干擾性的最大化，不僅取決于連接器的設(shè)計(jì)，同樣也取決于屏蔽層之間的連接概念。泰科電子可替換的USB適配器能完全滿(mǎn)足上述所有USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的限定條件。
