USB4® LRD 액티브 케이블 테스트 및 인증 소개

Granite River Labs, GRL
Sandy Chang

현재 가장 긴 패시브 케이블의 한계로 인해 40G(20Gx2) 이상을 지원하고 길이가 1m 이상인 고속 케이블이 필요한 애플리케이션이 작동하려면 대형 장면, VR 애플리케이션 또는 액티브 케이블에 외부 연결이 필요합니다. 

패시브 케이블 사양 및 테스트 절차에 대한 자세한 내용은 USB4® 패시브 케이블 테스트 및 인증에 대한 사전 예방적 접근을 참조하세요. 

세 가지 종류의 USB Type-C 액티브 케이블 소개

USB Type-C 액티브 케이블은 세 가지 주요 카테고리로 나눌 수 있습니다:

1. USB 3.2 짧은 액티브 케이블
2. USB4 짧은 액티브 케이블
3. USB 3.2 광절연 액티브 케이블(OIAC)

특히 OIAC는 최대 50m까지 연장할 수 있는 광섬유 케이블입니다. 현재 OIAC는 최대 USB 3.2 Gen2 속도까지 지원하도록 정의되어 있습니다(USB 2.0 및 VBUS 전원 공급 장치 제외). OIAC는 일반적으로 산업용 애플리케이션, 의료용 애플리케이션, 머신 비전, 원격 센서, 전문가용 비디오 등에 사용됩니다. 아직 개발 중인 케이블인 USB4 선형 광 액티브 케이블은 아직 정의되지 않았습니다. 

Table 1: Key features of USB short active cables

1: USB 쇼트 액티브 케이블의 주요 특징

• 5m 이하의 길이
  
• 모든 기능을 갖춘 Type-C 및 USB PD 3.0 eMarker 지원
• 정방향 및 역방향 모두 꽂을 수 있음
• 기능에 따라 USB 3.2 및 USB4 액티브 케이블로 구분할 수 있습니다:
  • USB 3.2 Gen 2×2(10GHz 듀얼 채널)를 지원해야 합니다.
    *단일 채널(x1)만 지원하는 액티브 케이블은 지원되지 않습니다.
  • 선택적 알트 모드 지원
  • 모든 USB 3.2 및 USB4 속도(듀얼 레인)를 지원해야 합니다.
  • TBT3 알트 모드를 지원해야 합니다.
  • USB 3.2 활성 케이블：：
  • USB4 활성 케이블: 필수
• Vbus, Vconn, CC 및 USB 2.0의 전선 요구 사항은 패시브 케이블의 요구 사항과 일치합니다.
  
• 액티브 케이블은 Vconn으로 전원을 공급해야 합니다.

모든 액티브 케이블은 리타이머 또는 리드라이버와 같은 리피터 구성 요소로 이루어져 있으며, Tx1, Tx2, Rx1, Rx2와 같은 고속 신호를 원활하게 전송하기 위한 목적으로 사용됩니다. 모든 리피터 구성 요소 중에서 리타이머는 가장 비싸고 조작이 복잡한 경향이 있습니다. 반면 리드라이버 기반 선형 리드라이버 케이블(줄여서 LRD)은 복잡성, 전력 소비, 비용이 더 낮습니다. 

흥미롭게도 LRD는 USB 에코시스템에 추가되어 나중에 USB Type-C 사양에 통합되었음에도 불구하고 가장 먼저 시장에 출시되었습니다. 오늘날 40Gbps를 지원하는 2미터 길이의 썬더볼트 4와 같은 케이블은 USB4를 지원하는 LRD 케이블로 구성됩니다.

 Linear Re-Driver 케이블의 아키텍처

LRD 케이블은 아래 그림과 같이 케이블 손실 보정, DC 게인 조정, 출력 프리 엠퍼시스 및 신호 크기 보정을 담당하는 구성 요소인 Rx 이퀄라이저와 출력 드라이버로 구성되어 있습니다.

Figure 1: Architecture of Linear Re-Driver Cable

LRD 케이블 설계 고려 사항

LRD 케이블에는 클럭 데이터 복구(CDR) 기능이 없기 때문에 케이블 입력에서 수신된 지터와 노이즈는 필연적으로 케이블 출력으로 전달됩니다. Rx EQ는 고주파 노이즈를 증폭시켜 이 문제를 더욱 악화시킬 수 있으며, AC 공통 모드와 같은 활성 구성 요소가 추가되어 패들 카드에 사양을 초과하는 불연속 임피던스가 발생할 수 있습니다.

과도한 노이즈와 지터를 방지하려면 LRD 케이블을 설계할 때마다 다음 사항을 고려해야 합니다:

1. 케이블로 인한 고주파 노이즈
   
2. 케이블의 내부 EQ 및 신호가 불충분한지, 적절한 밸런스가 잡혔는지 또는 밸런스가 과도하게 잡혔는지 여부.
   
3. 활성 케이블 내부의 추가 구성 요소의 임피던스 매칭
   
4. 케이블 high-speed pair의 P-N skew

LRD 케이블 기능 지원 및 eMarker 소개

USB Type-C 커넥터 및 케이블 Rev 2.1 사양(아래 표 6-3 참조)에 따르면 USB4 패시브 케이블과 액티브 케이블은 모두 USB4, USB4, USB2 및 TBT3를 지원할 수 있어야 합니다. OIAC는 이 규칙의 예외입니다.

USB4 LRD 케이블을 차별화하는 것은 액티브 케이블입니다. 그러나 eMarker는 패시브 케이블 VDO를 사용하는 eMarker의 ID 헤더 VDO 설정에서 USB4 LRD 케이블을 패시브 케이블(011b)로 선언해야 합니다. LRD 케이블은 이후 USB 사양에 포함되었기 때문에 시중에 출시된 TBT3 제품과의 호환성을 유지하려면 패시브 케이블로 선언해야 합니다. 

즉, TBT3 Discover_SVID(0x8087)는 USB4 Discover 통신 프로세스 중에 계속 수행되어 "TBT3 Gen3 액티브 케이블이 포함된 USB4"로 간주해야 하는지 여부를 결정합니다.

Table 2: Overview of USB4 cables

USB-IF, 새로운 USB4 로고 및 아이콘 공개

USB-IF는 지난 주 시애틀에서 USB DevDays 2021 세미나를 개최하여 확장된 전력 범위 사양과 함께 새로운 USB Type-C 케이블 로고 및 아이콘을 공개했습니다. 이 시각적 마커는 사용자가 속도와 전력이 지원되는 USB 제품을 빠르게 식별할 수 있도록 설계되었습니다.

이번 출시와 함께 기존 100W(20V/5A)를 지원하던 케이블은 단계적으로 단종됩니다. 또한 5A를 지원하는 케이블은 이제 EPR 240W(48V/5A)를 지원해야 합니다.

Table 3: New Certified USB Type-C Cable logo and Icon. Source: USB-IF Logo License – USB4® Logo Usage Guidelines.

새로운 USB4 케이블 로고의 예시:

Figure 2: USB Type-C EPR Cable logo and Icon. Source: USB-IF Logo License – USB4® Logo Usage Guidelines.

LRD 케이블 액티브 케이블은 케이블에 리드라이버를 액티브 구성 요소로 추가하여 더 긴 길이를 지원할 수 있습니다. 인증 테스트에서 LRD 케이블은 동일한 테스트 환경 설정에서 패시브 케이블과 동일한 성능 수준 또는 그 이상의 성능을 제공해야 합니다. 

LRD 테스트 인증 항목

1. USB-C 기능 테스트
   
2. USB PD E-마커 테스트
   
3. 액티브 케이블 전력: 적외선 강하 및 소비 전력
   
4. 열 과열 보호
   
5. LRD 전기적 특성 시험
   
6. LRD 케이블 호환성 테스트(승인 대기 중)

LRD 케이블 전기의 세부 사항은 다음과 같습니다.

1. USB-C Functional Test

다음 테스트 세부 사항은 USB-C 기능 테스트 사양을 준수합니다:

• TD 4.1.3 Unpowered Cable Test
• TD 4.13.5 Cable EnterUSB and Data Reset Test
• TD 4.14.x
• TD 4.14.1 Cable Vconn Swap Test
• TD 4.14.2 Cable Reset Test
• TD 4.14.3 Cable Alternate Mode Test
• TD 4.14.4 Cable USB 3.2 Test
• TD 4.14.5 Cable USB4 Test

2. USB PD: E-Marker Test

USB PD CTS에 명시된 세 가지 주요 케이블 관련 테스트 항목은 다음과 같습니다:

• Common Procedures and Checks
• Physical Layer Specific Tests
• Protocol Specific Tests

모든 LRD 케이블은 TBT3을 지원해야 하며, 이는 TBT3 및 SOp의 응답을 통해 확인됩니다.

• Cable SOP’ Discover Identity response
• [ID Header VDO] B26 (model operation) set to 1b (alt mode)
• [ID Header VDO] B29..27 (product type)set to 11b (passive cable)
• [Cable VDO] B2..0 (USB highest speed) set to 010b (USB3.2/USB4 Gen2)

• Cable SOP’ TBT Discover Mode VDO response
• .19 (rounded/rounded & none) set to 01b (both)
• B21 (Optical/none) set to 0 (none)
• B22 (Re-timer/Re-driver) set to 0b (Re-driver)
• B23 (Uni/Bi-directional) set to 1b (Uni)
• B25 (Active/Passive) to 1b (Active)

3. 액티브 케이블 전원 요구 사항

3.1. 접지 케이블의 VBUS 및 IR 드롭은 패시브 케이블과 동일합니다.

• VBUS IR Drop：≤500 mV
• Ground IR Drop：≤250 mV

3.2. 액티브 케이블의 전원 공급은 주로 VCONN을 통해 이루어지며 최대 전력 소비는 제한됩니다.

• VCONN power consumption ≤1.5W

4. Thermal Test (열 테스트)

안전을 위해 액티브 케이블에는 온도 센서가 장착되어 있어야 합니다. 이렇게 하면 플라스틱 쉘의 온도가 80˚C에 도달하거나 금속 표면이 55˚C에 도달하면 USB 3.2/USB4 케이블의 데이터 전송이 중지되는 안전 메커니즘이 활성화됩니다.

또한 활성 케이블 플러그의 외피 표면은 주변 온도가 30˚C를 넘지 않아야 합니다. 금속 셸 온도도 15˚C를 넘지 않아야 합니다.

활성 케이블 플라스틱 셸의 표면 온도에 영향을 미치는 주요 요인은 연결된 호스트 및 디바이스 마더보드의 작동 온도, 케이블의 활성 구성 요소, 주변 주변 온도입니다. 실제 인증 테스트에서 열 테스트는 표면 온도와 과열 보호(열 셧다운이라고도 함)의 두 가지 주요 구성 요소로 나뉩니다. 이 테스트 환경이 시뮬레이션되는 방식은 아래 그림에 나와 있습니다:

Figure 3: Schematic diagram of overheating protection test connection

4.1 표면온도 (Surface Temperature,Ts) 

실온에서 열 테스트 픽스처 히터 보드를 사용하여 호스트/장치 메인 보드를 시뮬레이션합니다(그림 3 참조). TMB가 (TA+ 25˚C)까지 가열되도록 한 다음 활성 케이블을 연결하고 동시 고속 데이터 전송 및 PD 100W 부하를 포함하여 호스트에서 장치로 전체 부하 설정을 수행합니다.

이 작업이 완료되면 적외선 카메라가 활성화되어 케이블 플러그 내에서 가장 온도가 높은 영역을 검색합니다(그림 4). 그런 다음 나중에 온도 테스트를 위해 식별된 위치에 "열 커플" 패치를 붙여 넣습니다(그림 5). 플라스틱 쉘의 표면 온도가 TS < TA +30˚C가 되면 이 테스트 구성 요소는 성공적으로 클리어됩니다.

Figure 4: Infrared camera finds area of highest temperature

Figure 5: “Thermal Couple” patch being pasted onto highest temperature area identified.

4.2  열 셧다운 (Thermal Shutdown)

과열 보호를 위한 테스트 환경 설정은 4.1에 설명된 것과 동일합니다. 또한 케이블 플러그의 플라스틱 셸을 가열 패치가 감싸고 있습니다(그림 6). 이 테스트 구성 요소는 가열 패치가 85˚C에 도달하면 USB3.2/USB4 케이블을 통한 데이터 전송이 중단되면 성공적으로 클리어된 것으로 간주됩니다.

Figure 6: Flexible heating patch

5. Electrical Characteristics Test

LRD 케이블의 경우, 패시브 케이블은 여전히 USB 2.0, SBU 및 CC 케이블 구성에 사용됩니다. 따라서 테스트 방법 및 사양은 패시브 케이블과 동일하게 유지됩니다. 고속 신호 쌍 Tx1/Tx1/Tx2/Rx2에는 리드라이버 액티브 컴포넌트가 장착되어 있습니다. 테스트 사양은 LRD 액티브 케이블 CTS 버전 0.8을 따릅니다. 주요 세 가지 테스트 항목은 다음과 같습니다:

• Frequency Domain Test
• Time domain – Cable Stand-Alone Test
• Time domain – Cable Output Eye Test Test

5.1 Frequency Domain Test

– Integrated Return-Loss (IRL)
– Integrated Multi-Reflection (IMR)
– Channel Operation Margin (COM)

주파수 도메인 테스트 항목은 패시브 케이블과 동일한 테스트 방법을 사용하며, 벡터 네트워크 분석기(VNA)는 분석을 위해 Get_iPar_v0p91a 소프트웨어를 통해 고속 차동 쌍(Tx1/Rx1/Tx2/Rx2, 양방향)의 S 파라미터 및 총 8개의 S4P 파일을 캡처합니다.

Figure 7: S-parameter connection diagram for vector network analyzer (VNA) acquisition

5.2 Time Domain - Cable Body Test

– Cable ILfit Mask（DC/f1/Nq/f2/f3/WB）：insertionloss
– OUTPUT_NOISE（𝝈𝒏）：Standard deviation (excluding non-linear noise)
– SIGMA_E（𝝈𝒆）：Standard deviation of non-linear noise output
– Cable CM_NOISE：AC common mode

시스템 ISI 및 지터를 제외한 케이블 본체 테스트는 케이블의 삽입 손실, 출력 노이즈, 비선형 노이즈 및 AC 공통 모드에 중점을 둡니다. 아래 그림과 같이 TP2의 신호 발생기 출력은 지터, SSC, Tx EQ 설정이 없는 패턴 스윙을 보여줍니다(예: "패턴: PRBS15, 스윙 800mV, SSC 꺼짐, 지터 꺼짐, 프리셋 0"). 

테스트를 실행하려면 먼저 최악의 경우 패시브 케이블을 오실로스코프용 테스트 장비에 연결하여 파형 *.bin을 캡처합니다. 그런 다음 최악의 경우 패시브 케이블을 테스트용 LRD 케이블로 교체하고 매개 변수를 분석한 후 패시브 케이블의 테스트 결과와 같거나 그 이상이어야 하는 LRD 케이블의 테스트 결과를 비교합니다. 테스트가 USB4 Gen2/Gen3 및 USB 3.2 Gen2를 포함한 세 가지 속도를 모두 포함하는지 확인하세요.

*최악의 패시브 케이블은 케이블 사양 내에서 삽입 손실이 가장 큰 패시브 케이블을 의미합니다. 예를 들어 1m USB 3.2 Gen2 패시브 케이블, 2m USB4 Gen2 패시브 케이블, 0.8m USB4 Gen3 패시브 케이블이 있습니다.

Figure 8: Diagram of cable body test connection

Table 4: Environment setting requirements of cable body testing

5.3 Time Domain - Cable Output Eye Diagram Test

5.3.1. USB4 Gen2/Gen3 Test

케이블 출력 아이 다이어그램 테스트의 테스트 환경은 USB4 호스트/디바이스 Rx 수신기 인증 테스트 환경과 동일합니다. 테스트를 시작하기 전에 USB4 Rx 테스트 환경 보정을 수행해야 합니다. 이 작업은 안리쓰 MP1900 패턴 발생기를 자동으로 제어하고 키사이트 또는 텍트로닉스 오실로스코프와 함께 작동하는 GRL-USB4-Rx 테스트 앱을 통해 직접 수행할 수 있으며, USB4 Rx 테스트 환경 보정을 위해 키사이트 또는 텍트로닉스 오실로스코프와 함께 사용할 수 있습니다.

Figure 9: GRL USB4 Rx automated test app

캘리브레이션이 완료되면 "최악의 경우 패시브 케이블"을 테스트 장비에 연결합니다. 테스트 조건 설정에 패턴 생성기에서 PRBS31 출력이 포함되어 있고 USB4 프리셋 설정이 제대로 되어 있는지 확인합니다(총 16개 그룹).

신호가 케이블을 통과하면 오실로스코프에 5개의 파형이 캡처됩니다. 각 고속 쌍은 80개의 파형을 캡처해야 합니다. 그런 다음 패시브 케이블을 제거하고 LRD 케이블로 교체하여 동일한 조건에서 오실로스코프에서 파형을 캡처합니다. 아이 다이어그램, 아이 폭 및 아이존 테스트 분석을 수행하려면 USB4 SigTest 소프트웨어를 사용합니다.

Figure 10: Diagram of USB4 Gen3/Gen2 cable output eye test connection

USB4 Gen2/Gen3 테스트 결과 평가(5개의 캡처 평균):
LRD 케이블의 최적 아이 다이어그램의 면적 ≥ 패시브 케이블의 최적 아이 다이어그램의 면적
LRD 케이블의 아이 폭 ≥ 0.9 * 패시브 케이블 아이 폭

5.3.2. USB 3.2 Gen2 test：

테스트 환경 설정은 USB 3.2 Rx 수신기 인증과 유사합니다. 먼저, 그림 11에 표시된 내용에 따라 설정을 보정합니다. 안리쓰 MP1900 패턴 발생기는 GRL-USB3-Rx 테스트 앱을 통해 자동으로 제어할 수 있으며, 키사이트 또는 텍트로닉스와 함께 사용할 수 있습니다.

Figure 11: Diagram of USB 3.2 Gen2 cable output eye diagram test connection

캘리브레이션 후, Rx를 선택하여 USB 3.2 Gen2 Rx의 테스트 조건을 유지하면서 Pj@100MHz의 환경을 캘리브레이션합니다. 패턴 젠이 픽스처와 LRD 케이블을 통과하면 오실로스코프가 5개의 파형을 캡처하고 분석을 위해 USB4 SigTest 소프트웨어와 7개의 CTLE 템플릿을 사용합니다. 

*USB4 SigTest에는 처음에 하나의 CTLE-5dB 템플릿만 있으며, CTLE-0dB ~ CTLE_6dB 템플릿을 보완하기 위해 수동으로 설정해야 한다는 점에 유의하세요.

3.2 Gen2 테스트 결과 평가(5개의 캡처 평균):

LRD 케이블의 최적 아이 다이어그램 면적 ≥ 패시브 케이블의 최적 아이 다이어그램 면적
LRD 케이블의 아이 폭 ≥ 0.9 * 패시브 케이블 아이 폭

기술 전문가와 함께하는 USB Type-C 케이블 테스트 및 인증

USB Type-C는 컴퓨터 및 관련 주변기기, 패시브 케이블, 액티브 케이블에 널리 사용되고 있습니다. 일부 USB Type-C 케이블만 USB 2.03 및 충전을 지원하고 다른 케이블은 USB 3.2 및 USB4를 지원하지만, 이러한 케이블은 모두 USB Type-C 커넥터로 간주된다는 점을 강조해야 합니다.

사용자 경험을 개선하기 위한 노력의 일환으로 USB 협회는 모든 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 Type-C 케이블 표준을 만들기 위한 노력을 강화했습니다. 액티브 케이블의 경우 사양은 양방향 전송, 포지티브 및 네거티브 삽입, 듀얼 채널(x2)을 지원해야 합니다.

USB4 LRD 액티브 케이블은 하나의 케이블에서 USB4, USB 3.2, USB 2.0, Thunderbolt 3, PD 충전 등을 모두 지원하는 대표적인 예입니다. USB Type-C 액티브 케이블과 패시브 케이블의 가장 큰 차이점은 액티브 구성 요소의 유무에 따라 고속 차동 신호 테스트에 사용되는 방법이 달라진다는 점입니다.

액티브 케이블 테스트는 USB4 호스트 및 디바이스의 기존 고주파 테스트 방법을 사용하며, 테스트 환경과 방법이 상대적으로 복잡합니다. GRL은 USB4 테스트를 위한 자동화된 테스트 솔루션을 제공하여 고객의 디버깅을 지원하는 EQ, 게인 및 기타 파라미터를 조정함으로써 테스트 프로세스를 원활하게 합니다. 또한, 숙련된 테스트 팀이 USB4 호스트 및 디바이스, USB4 패시브 케이블, USB4 Act의 테스트 및 인증 서비스에 대한 엔드투엔드 지원을 제공합니다.

References

• USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
• USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS, Revision 2.1b, June 2021
• USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility Requirements Spec, Version 1.0, January 2021.
• USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility CTS, Revision 1.0, January 2021.
• USB Power Delivery CTS, Revision: 1.2, Ver 2, June 20, 2021
• USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88

About the Author

Sandy Chang, GRL 대만 Technical Director

고속 인터페이스 테스트 분야의 전문가인 Sandy는 Thunderbolt™ 4, USB4, USB3, DisplayPort, HDMI, PCI Express 및 기타 산업 기술을 다루는 데 10년 이상의 전문 경험을 가지고 있습니다. 현재 GRL의 기술 디렉터로 재직하며 테스트 팀을 이끌고 있습니다. 

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Original Chinese (Traditional) version release date: 2021/10/06 AN-211006-TW