The USB(Universal Serial Bus) Type C 커넥터는 그 이름처럼 널리 사용되는 케이블로, 이전까지 라이트닝 전용 케이블로 충전하던 최신 세대의 iPhone에도 14세대 이후에 이 기능이 탑재되었습니다. 그러나 USB 케이블이 가져다주는 모든 편리함에도 불구하고 제조업체가 USB 케이블 및 호환 제품을 설계할 때 해결해야 할 과제는 의외로 많습니다.
테스트의 복잡성을 전 세계 고객에게 설명하기 위해 GRL EMEA 연구소 책임자인 Pascal Berten은 2023년 10월 4일 로데슈바르즈 뮌헨 사무실에서 오실로스코프 수석 애플리케이션 엔지니어인 Johannes Ganzert를 만났습니다. USB 3.2 Transmitter(Tx) 및 Reciver(Rx) 디버깅과 로데슈바르즈의 독점 오실로스코프를 통한 USB 인터페이스 디버깅 데모에 대한 논의는 수백 명의 실시간 시청자에게 방송되었습니다.
USB 3.2는 수많은 테스트 과제를 야기합니다. multi-lane operational 사양은 차세대 PC, 소비자 가전, 디스플레이 및 모바일 아키텍처에서 요구하는 더 높은 수준의 대역폭을 수용하도록 설계되었지만, 전례 없는 수준의 데이터가 10Gbps의 두 레인을 통해 전송되므로 USB 시스템 내에서 크로스토크 문제가 발생합니다.
이전 USB 버전에서는 송신 또는 수신 측만 테스트하는 것으로 충분했습니다. 그러나 USB 3.2 사양 테스트에서는 제조업체가 크로스토크 영향에 대한 전체 그림을 파악하기 위해 4개의 데이터 레인을 모두 캡처해야 합니다. 이를 위해서는 BERT의 듀얼 레인이 동시에 신호를 전송해야 합니다. 네 쌍의 신호 모두에서 성능의 균형을 맞추는 것은 제조업체가 여러 변수가 관련된 실제 조건에서 디바이스의 성능을 정확하게 캡처할 수 있는 유일한 방법입니다.
기술 웨비나 보기: USB 3.2 Electrical Compliance Test.
USB 3.0은 2008년에 출시되어 최근인 2022년에야 공개된 USB 3.2보다 10년 이상 빠릅니다. 오늘날 'USB 호환성'이라는 일반적인 용어는 더 이상 이전 3.0 표준이 아닌 새로운 3.2 사양을 의미합니다.
이 두 버전 사이에는 많은 업데이트가 이루어졌습니다. 특히 1세대에서 2세대로의 업데이트는 데이터 전송 속도를 5Gb/s에서 10Gb/s로 두 배로 증가시켰습니다. 또한 전자파 적합성(electromagnetic compatibility, EMC), 특히 커넥터 부분에 많은 개선이 이루어졌습니다. 가장 중요한 것은 Type-C의 데이터 전송 속도가 10Gb/s에서 20Gb/s로 더욱 빨라졌다는 점입니다.
2000년으로 거슬러 올라가는 USB 2.0은 USB 3.0의 5Gb/s에 비해 약 480Mb/s의 전송 속도로 작동합니다. USB 3.0의 데이터 전송 속도는 대용량 데이터 백업이나 외장 하드 드라이브와 관련된 대규모 전송을 가능하게 했기 때문에 당시로서는 매우 중요했습니다. 또한 USB 2.0에서 3.0으로 업그레이드하면서 커넥터 와이어 수가 4개에서 9개로 증가하여 속도, 대역폭, 전력 출력이 크게 향상되었습니다.
USB 3.0 포트의 완벽한 하위 호환성은 2.0을 포함한 다른 USB 버전과 원활하게 작동할 수 있음을 의미했습니다. 즉, USB 2.0 드라이브를 3.0 포트에 연결할 수 있지만 드라이브 작동 속도는 USB 2.0으로 제한됩니다. 디자인 측면에서도 USB 2.0 포트는 내부가 검은색인 반면, USB 3.0 포트는 파란색이었습니다.
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모든 Gen 2(Super Speed plus) 제품은 Gen 1(Super Speed)을 준수해야 합니다. 마찬가지로 모든 USB 4 제품도 USB 3.2 전기 테스트를 거쳐야 합니다.
명확히 말하자면, USB-IF를 준수하려면 단순한 전기적 규정 준수 이상의 것이 필요합니다. 제조업체는 공식 인증을 받으려면 워크샵에 참석하거나 GRL과 같은 ATL(Authorized Test Labs)에서 테스트를 수행해야 합니다.
USB-IF 컴플라이언스 테스트를 정확하게 수행하려면 고성능 오실로스코프(예: RTP164)가 필요합니다. USB 자동화 소프트웨어로 프로세스를 원활하게 진행할 수 있습니다.
또한 수신기 테스트에는 패턴 생성기가 가능하고 제품을 USB 루프백으로 강제 복귀시킬 수 있는 고성능 비트 오류율 테스터(BERT)도 필요합니다.
마지막으로 테스트 프로세스에 사용되는 SMA 케이블이 일치하는지 확인하는 것이 중요합니다.
테스트를 실행하는 데 필요한 Fixture는 USB-IF에서 판매되었으나 현재 단종되었습니다. 대신 제조업체는 Fixture Solution 에서 Gen 1 Legacy 커넥터를 구입하고 Wilder Technologies 에서 Gen 1/2 Type-C 커넥터를 구입해야 합니다. Fixture 솔루션은 2023년 말까지 Gen 2 레거시 커넥터도 제공할 예정입니다. 적절한 케이블도 공급업체에서 제공할 것입니다.
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USB-IF 호환 사양은 USB 3.2 사양 및 엔지니어링 변경 공지(ECN)에서 파생되었습니다. 이 사양은 Tx 및 Rx 측정과 기타 electrical parameter를 실행하는 방법을 자세히 설명합니다.
실제로 새로운 컴플라이언스 테스트 모드 덕분에 USB 3.2 컴플라이언스 테스트가 더 쉬워졌다는 의견도 있습니다. 테스트 모드 CP0~CP8은 1세대에 대해 정의되어 있으며, CP9~CP16은 2세대에 대해 정의되어 있습니다.
가장 낮은 번호의 테스트 모드는 디바이스가 테스터에 연결되는 순간부터 활성화되며, Ping.LFPS가 전송되면 점진적으로 위로 전환됩니다.
테스트 모드 CP0~CP8은 Gen 1에 대해 정의되고, CP9~CP16은 Gen2에 대해 정의됩니다.
USB 3.2 Gen 1/2 업스트림 설정 Tx.
업스트림 포트는 PC 측에 연결할 수 있는 장치 또는 허브 포트입니다. 일반적인 USB 3.2 Gen 1/2 업스트림 Tx 테스트 설정은 측정 픽스처(일명 scope)와 토글 픽스처로 구성됩니다. 후자는 시스템이 다음 테스트 패턴으로 전환할 수 있도록 ping.LFPS.ping을 DUT로 전송하는 데 사용됩니다. 토글 픽스처는 DUT가 핑을 수신할 수 있는 한 특정 요구 사항을 충족할 필요가 없습니다. 그러나 적절한 측정 픽스처를 사용하는 것이 중요합니다.습니다. 그러나 적절한 측정 장치를 사용하는 것이 중요합니다.
USB 3.2 Gen 1 업스트림 롱 채널 Tx 측정 픽스처의 전체 목록을 확인하세요.
장치는 A 포트 또는 C 포트만 될 수 있는 다운스트림 포트에 연결됩니다. 대부분의 경우 USB 3.2 Gen 1/2 Tx 테스트 설정은 업스트림 설정과 정확히 동일합니다. 유일한 차이점은 다운스트림 포트를 Tx-Compliance_Mode로 강제 설정하고 CPx 간 토글을 허용하는 추가 xHCI HSETT 도구가 DUT에 연결된다는 점입니다. HSETT는 공식 USB-IF 웹사이트 에서 얻을 수 있는 무료 툴입니다 .
USB 3.2 Gen 1/2 다운스트림 설정 Tx
릭스처를 연결하기 전에 다운스트림 포트를 테스트 모드로 설정하는 것이 중요합니다. 호스트 OS가 Windows가 아닌 경우 추가 단계가 필요할 수 있습니다. 오늘날 시장의 대부분의 호스트는 테스트 모드를 지원하지만 제조업체가 이 테스트 단계에서 장애물에 직면하는 것은 드문 일이 아닙니다.
테스트 시스템이 올바르게 설정된 경우 연결된 장치는 전원이 켜진 후 즉시 Polling.LFPS를 보냅니다. 최신 테스트 자동화 소프트웨어를 사용하면 이러한 결과를 즉시 얻어 디바이스가 컴플라이언스 테스트 매개변수를 통과했는지 또는 실패했는지 확인할 수 있습니다.
USB 3.2 사양을 준수하는 장치는 다음 USB 3.2 저주파 주기 신호 매개변수를 충족해야 합니다.
확산 스펙트럼 클로킹은 USB 컴플라이언스에 따른 또 다른 필수 측정입니다. 제조업체는 CP1을 통해 측정값을 얻을 수 있지만 일부 제조업체는 필수 테스트 요구 사항임에도 불구하고 확산 스펙트럼 클로킹을 비활성화하므로 올바른 공급업체를 선택하는 것이 중요합니다.
다른 모든 테스트 모드와 마찬가지로 토글은 Rx 페어에 Ping.LFPS를 전송하여 수행됩니다. 아이 다이어그램 및 지터 테스트 모드에 도달하면 CP0 및 CP1을 사용하여 측정을 수행할 수 있습니다. 이 테스트는 일반적으로 컴플라이언스 절차가 끝날 무렵에 수행됩니다. 호환 장치에 대해 예상되는 결과는 다음과 같습니다.
긴 채널 전송 아이: 트랜지션 아이
생성된 아이 다이어그램에 상단 및 하단 레이어가 서로 닿지 않는 경우, 해당 디바이스는 적합성 테스트를 통과한 것으로 간주됩니다.
단채널 전송 아이: 트랜지션 아이
짧은 채널 아이 다이어그램은 일반적으로 긴 채널에 비해 아이 폭이 더 넓습니다.
Gen 1 Jitter 및 Eye의 통과 요건은 다음과 같습니다.
긴 채널 측정의 경우, 적절한 S-파라미터가 RTP 스코프를 통해 USB-IF에 의해 제공되어야 합니다. 또한 긴 채널 손실은 사용되는 USB 커넥터 유형과 업스트림 또는 다운스트림 포트에 따라 달라집니다.
Gen 2의 아이 다이어그램 및 지터 측정은 실제로 Ge1과 매우 유사하며 대신 테스트 패턴 CP9 및 CP10이 배포됩니다. 테스트 모드 간 전환은 Rx 쌍에서 Ping.LFPS를 전송하여 수행됩니다.
GRL 프로 팁: 적절한 아이 너비와 아이 높이를 보다 명확하게 파악하려면 각 측정의 여백을 확인하십시오.
Gen 2 Jitter 및 Eye의 통과 요구 사항은 다음과 같습니다.
긴 채널 측정은 짧은 채널 엔드 설정 측정과 동일하다는 점에 유의하세요. 유일한 차이점은 RTP 스코프가 USB-IF S-파라미터를 신호에 포함한다는 점입니다. 캡티브 또는 테더링 케이블이 있는 장치를 제외하고, 1세대 롱 채널에는 항상 동일한 S-파라미터가 사용됩니다.
USB 2세대 규격에는 프리샷 및 디엠퍼시스에서 하나의 추가 테스트 기준이 있습니다. 이는 2세대에만 적용되며 테스트 패턴 CP13, CP14, CP15를 실행해야 합니다. 테스트 결과만 보고 결과를 진단하기는 어려울 수 있습니다. 대신 제조업체는 테스트 패턴을 전환하여 차동 전압이 어떻게 변화하는지 관찰하는 것이 좋습니다.
USB 2세대 프리샷 및 디엠퍼시스 그래프
USB 3.2 송신기 자동화 솔루션에는 CPx 간 토글을 위한 RTP 생성기가 있습니다. 또한 RTP는 설정 및 테스트 패턴을 통해 사용자를 안내하고 마지막에 보고서를 생성합니다.
C 타입의 경우 수신기를 양방향으로 테스트하고, 제품이 DRD(호스트 및 장치)인 경우 두 가지 모드를 모두 테스트하는 것이 중요합니다. USB 3.2 Gen 1/2X2의 경우 모든 데이터 레인을 테스트해야 합니다. 마지막으로, 적절한 USB 픽스처, 케이블 및 SMA 케이블을 사용해야 합니다.
USB 3.2 수신기 테스트는 짧은 채널과 긴 채널 뒤에서 수행됩니다. 긴 채널은 속도와 커넥터 유형에 따라 달라지며, 패턴 생성기(Pattern Generator, PG)는 보정된 컴플라이언스 테스트 패턴을 테스트 대상 제품의 Rx로 전송합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:
시작하려면 테스트 중인 제품을 루프백에 놓습니다(PG가 수행할 수 있음). BERT는 테스트 중인 제품이 Tx에서 전송한 오류를 판독합니다. USB 3.2 사양에 따르면 BERT는 10에서 12 사이여야 합니다. DUT가 Type-C인 경우, 모든 테스트는 대체 Rx 경로로 반복해야 합니다.
USB 3.2 Rx calibration setup.
USB 3.2 수신기 테스트를 수행하기 전에 DUT로 전송되는 패턴을 보정하는 것이 필수적입니다. 이 작업은 롱 채널과 숏 채널 모두에 대해 수행해야 하며 다음 파라미터를 보정해야 합니다:
계산은 자동화를 적극 권장하는 긴 프로세스인 시그 테스트를 통해 백그라운드에서 수행됩니다. 자동화된 경우에도 캘리브레이션에는 4시간의 리드 타임이 소요됩니다. 수동 경로를 사용하면 많은 캘리브레이션 값을 추적해야 하므로 며칠이 걸리고 오류가 많이 발생할 수 있습니다. USB 또는 SMA 케이블을 변경할 때마다 설정을 다시 캘리브레이션해야 한다는 점에 유의하세요.
Setup for USB 3.2 Rx Testing.
캘리브레이션이 완료되면 BERT에 저장된 값이 테스트에 사용됩니다. 컴플라이언스 테스트는 허용된 최대 Sj에서 수행됩니다.
캘리브레이션과 마찬가지로 테스트 프로세스를 자동화할 것을 적극 권장합니다. 자동화된 솔루션은 테스트 대상 제품을 필수 루프백 모드로 설정하는데, 이 절차는 수동으로 수행하기 매우 까다롭고 오류가 발생할 여지가 크며 영업일 기준 최대 며칠이 소요됩니다.
규정 준수를 위해 공식적으로 요구되지는 않지만, 테스터는 수신기 오차 테스트를 수행하여 제품의 진폭과 지터 마진을 파악할 것을 강력히 권장합니다. 캘리브레이션에는 약 4시간이 소요되므로 처음부터 적절한 USB 픽스처, 케이블 및 SMA 케이블을 사용하여 재실행을 방지해야 합니다.
제품이 DRD(호스트 및 장치) 모드일 때 두 가지 모드를 모두 테스트하고 USB 3.2 Gen 1/2x2의 모든 데이터 레인을 테스트하는 것을 잊지 마세요.
제품이 루프백 진입에 실패할 때마다 테스터는 먼저 레퍼런스 제품을 사용하여 설정을 확인해야 합니다. 설정이 올바른 것으로 확인되면 루프백 훈련 중에 지터를 비활성화하거나 진폭을 높여 추가 문제 해결을 수행할 수 있습니다.
잘못된 레인을 선택했기 때문에 Type-C 케이블이 루프백에 들어가지 않는 경우가 드물지 않습니다. 케이블을 뒤집거나 테스터 픽스처의 점퍼로 CC 라인에 적절한 설정을 하면 이 문제가 해결되는 경우가 많습니다.
제품이 수신기 허용 오차 테스트에 실패한 경우, 구현 중에 리타이머 또는 리드라이버에서 PHY의 이퀄라이저 설정을 조정할 수 있습니다. Tx의 진폭이 높으면 수신 경로에 누화가 발생하여 수신 테스트가 실패할 수 있습니다.
잘못된 PCB 설계는 테스트 실패로 이어질 수 있습니다. 이는 트레이스가 너무 길거나 일치하지 않기 때문에 발생하는 경우가 많습니다. 이러한 일이 발생하지 않도록 제조업체는 PCB 설계 규칙을 준수하는 것이 중요합니다 .
일반적인 USB 3.2 수신기 테스트 실수의 전체 목록을 확인하세요.
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