Granite River Labs, GRL
蔣寧 Mark Jiang
隨著市場對高速線纜的需求越來越大、傳輸速率越來越高，所配套連接器的重要性也越被重視，且對不同介面（USB、HDMI等）連接器的要求也更嚴格。因此GRL通過長久以來的認證測試經驗，整理出相對應的測試項目、測試方法及目的，以幫助大家更好的去規避設計盲區和正確選擇材料，從而降低開發的資金和時間成本。首先，以下幫大家整理出不同連接器的測試Group（圖1~圖4）。
圖1：USB 2.0 Legacy 連接器測試項目（可點擊圖片放大）
圖2：USB 3.1 Legacy 連接器測試項目（可點擊圖片放大）
圖3：USB Type-C 連接器測試項目（可點擊圖片放大）
圖4：HDMI連接器測試項目（可點擊圖片放大）
通過上面的連接器測試項目發現，連接器測試時主要專案可分為電氣性能、機械性能、環境性能和信號完整性測試等幾個部分：
接下來我們對幾個重點測試項目進行更詳細地介紹。
1. 電氣性能測試
主要有低電平接觸電阻測試、耐電壓測試、絕緣電阻測試、電容、溫升測試等
1.1 低電平接觸電阻測試（Low level contact resistance）
- 測試方法：參照EIA-364-23
- 目的：驗證連接器相互接通後，各個通道接觸點的實際接觸情況。
- 原理：通過在各個接觸點通道上施加電壓，通過額定電流後，測量接觸通道兩端的電壓降，從而計算出電阻值。
1.2 耐電壓測試（Dielectric withstanding voltage）
- 測試方法：參照EIA-364-20
- 目的：檢測連接器在額定電壓下是否能安全工作，以及承受過電位的能力；從而評定連接器絕緣材料或絕緣間隙是否合適。
- 原理：分別在連接器接觸通道與接觸通道之間、接觸通道與外殼之間施加規定電壓並保持規定時間，觀察樣品是否有擊穿或放電現象。
1.3 絕緣電阻測試（Insulation Resistance）
- 測試方法：參照EIA-364-21
- 目的：檢測連接器的絕緣性能是否符合電路設計的要求或經受高溫，潮濕等環境應力時，其阻值是否符合有關技術條件的規定，從而避免因物理性能衰減造成電氣功能喪失。
- 原理：在連接器的各通道之間部分施加額定的電壓，從而使絕緣部分的表面或內部產生漏電流而呈現出來的電阻值。
1.4 電容測試（Capacitance）
- 測試方法：參照EIA-364-30
- 目的：檢測連接器端子之間或端子與其他金屬導體之間的電容性質，確定連接器導體間的電容值，避免電流或信號穿透而產生信號干擾。
- 原理：以1KHz或1MHz之測試頻率，測試相鄰兩個通道之間的電容值。
1.5 溫升測試（Contact Current Rating）
- 測試方法：參照EIA-364-70
- 目的：隨著大電流的市場需求，連接器上傳輸的電流也越來越大，為確保連接器能長時間在高負載情況下安全、穩定的工作。
- 原理：將公母連接器集合在一起，在兩端施加電壓，並在每個通道上通過額定的電流，因電流流過端子的Pin，使得接點溫度上升，在該位置點經由熱電偶線量測得出溫度，從而計算出溫度變化情況。
2. 機械性能測試
包括有耐久性測試、插拔力測試、振動測試、機械衝擊、四軸連續性測試、抗壓強度測試、關鍵尺寸、鍍層測試等。
2.1 耐久性測試（Durability）
- 測試方法：參照EIA-364-9
- 目的：評估反復插拔對連接器的影響，模擬實際使用中連接器的插拔狀況。
- 原理：按照規定速率連續插拔連接器直至達到規定次數。
2.2 插拔力測試（Insertion and Extraction force ）
- 測試方法：參照EIA-364-13
- 目的：模擬連接器的在使用時的插拔力情況，是否滿足實際使用時的需求
- 原理：將連接器按規定速率進行完全插合或拔出，記錄相應的力值。
2.3 振動測試（Vibration）
- 測試方法：參照EIA-364-28
- 目的：類比振動對電連接器及其元件性能的影響；為了確定由電連接器在壽命期間可能遇到在主要頻段或隨機振動頻段範圍內及其幅度上受振動的影響情況
- 原理：通過設定機器特定的振動頻率，類比產品使用時的特定振動條件下產品物理、電氣等方面的性能，確保在不同振動環境下產品的連接功能。
2.4 機械衝擊（Mechanical Shock）
- 測試方法：參照EIA-364-27
- 目的：類比消費者在加速運動負載下使用產品的狀況，確保在不同加速環境下產品的連接功能
- 原理：用機械的特定運動，來類比消費者在加速運動負載下使用產品的狀況，確保在不同加速度環境下產品的連接功能。
2.5 四軸連續性測試（4-Axis Continuity）
- 測試方法：根據實際的測試規範規定（USB的4-Axis Continuity）
- 目的：測試連接器插頭上下左右所能承受的軸向力量，以避免在使用時，因操作上的錯誤，而造成連接器斷裂、接觸不良等狀況。確保連接器在製造或使用過程中接觸端子的狀態，避免外力使接觸端子偏離工作位置，導致連接功能喪失。
- 原理：通過施力裝置，在四個面的指定位置向插頭施加標準力，同時檢測連接器的電氣特性，是否功能正常。
2.6 抗壓強度測試（Wrenching Strength）
- 測試方法：根據實際的測試規範規定（USB的Wrenching Test）
- 目的：類比連接器插頭上、下、左、右四個方向所能承受的軸向力量，以避免在使用時，因消費者操作上的錯誤，而造成連接器斷裂等狀況。同時確保連接器在製造或使用過程中接觸端子的狀態，避免外力使接觸端子偏離工作位置，導致連接功能喪失。
- 原理：通過施力裝置，在四方向上的指定位置向連接器施加標準力；以類比連接器插頭是否被破壞和不被破壞。
3. 環境性能測試
主要包括有溫度壽命、冷熱衝擊、混合氣體腐蝕、溫濕度迴圈、溫度變化等
3.1 溫度壽命測試（Temperature Life）
- 測試方法：參照EIA-364-17
- 目的：模擬連接器暴露在高溫環境中，連接器的各項性能是否發生變化
- 原理：通過高溫箱類比產品在不同溫、濕度環境下存儲，完成檢查物理、電氣等性能變化情況。
3.2 冷熱衝擊測試（Thermal Shock）
- 測試方法：參照EIA-364-32
- 目的：模擬連接器在急速的大溫差變化下，對於其功能品質的影響。
- 原理：通過冷熱衝擊試驗箱類比不同溫度條件下使用產品的狀況。
3.3 混合氣體腐蝕測試（Mixed Flowing Gas）
- 測試方法：參照EIA-364-65
- 目的：模擬連接器暴露在不同濃度混合氣體中的耐腐蝕能力及對其性能的影響。
- 原理：將試樣暴露在多種混合氣體環境下；在規定的時間後取出，檢驗試樣的物理及電氣相關特性。
3.4 溫濕度迴圈（Cyclic Temp and Humidity）
- 測試方法：參照EIA-364-31
- 目的：類比產品實際使用中在不同溫、濕度環境下的性能，使樣品不致遭到破壞或功能退化，並驗證樣品在高濕環境下操作的可行性。確認連接器在高溫高濕環境下的功能。
- 原理：通過恆溫恆濕箱類比產品在不同溫、濕度環境下存儲，完成檢查物理、電氣等性能變化情況。
3.5 溫度變化（Thermal Disturbance）
- 測試方法：參照EIA-364-31
- 目的：模擬運輸及使用過程中可能發生的最惡劣條件的極限高溫、極限低溫時，以及暴露在極限高、低溫交替的衝擊時的耐受能力。
- 原理：通過高低溫試驗箱類比產品在不同溫度環境下的狀態。
結論
通過上述連接器重點測試項目的詳細介紹，希望大家能透過測試目的、原理及操作手法了解連接器的認證測試是如何進行的，從而排除連接器產品在測試上可能遇到的錯誤及問題，並進一步改善設計上的缺陷。GRL擁有多年的線纜與連接器認證測試經驗，並熟悉各個高速介面（DisplayPort、HDMI、USB等）規格與認證測試，若您有測試或設計上的任何問題，皆歡迎與我們聯絡！未來我們也將推出關於高頻性能方面的介紹，敬請期待。
參考文獻
- Universal Serial Bus Cables and Connectors Class Document Revision 2.0 August 2007
- Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 April 27, 2000
- Universal Serial Bus 3.1 Legacy Connectors and Cable Assemblies Compliance Document Revision 1.1 April 3, 2018
- USB 3.1 Legacy Cable and Connector Specification Revision 1.0 September 22, 2017
- Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document Revision 2.1b June 2021
- EIA-364
作者
GRL 東莞 測試工程師 蔣寧 Mark Jiang
GRL測試工程師，在線纜和連接器設計製造行業擁有超過15年的工作經驗，精通HDMI、DisplayPort、USB等線纜和連接器認證測試與規範。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2022/04/13 AN-220413-TW