USB4 介面的兩個通道的最大資料傳輸率為每秒 40 吉位元 (Gbits/s)，這給設計者帶來了額外的壓力，因為難以滿足訊號完整性和電磁干擾（EMI）要求。此外，現在有多種資料和顯示協定普遍使用 Type-C 連接器，這要求它們在其共同的匯流排上共用可用的頻寬。同時設計者還需要確保連接器和所有的 USB4 元件一樣，獲得多個標準組織的認證。其他設計挑戰包括減輕由於錯誤插入插頭而造成的機械損壞的風險，以及需要適應更堅固、更先進功能的終端產品和使用模式。
USB Type-C® 規範確立了新的連接器要求，即在保持與現有 USB 形式的所有功能優勢相容性外，同時滿足系統和裝置不斷發展的需求。本文解釋了 USB Type-C 連接器的配置和特性，並對其應用進行了討論。然後介紹了 Amphenol ICC 通過 USB4 認證的 USB Type-C 連接器插座樣本。這些連接器支援規範中列出的所有高階功能，包括減少 EMI 和提高連接器可靠性和機械完整性的額外功能。
USB4 第 3 代 Type-C 連接器
USB Type-C 插頭和插座規範由 USB 開發者論壇（USB-IF）在“USB Type-C 纜線和連接器規範修訂版 2.0 ”檔案中指定，該檔案涵蓋 USB-Type-C 連接器上的 USB4，並可在 USB-IF 網站上免費下載。
USB-C 連接器使用 24 個接腳，在一個連接器中同時提供 USB 供電（USB PD）、資料傳輸、音訊和視訊輸出。USB-C 連接器最引人注目的是其可反插特性；也就是說，插頭可以以任何方向插入插座——這是那些在插入舊的 USB-A 連接器時遇到問題的用戶非常喜歡的一個特性。看一下 USB-C 插頭和插座的訊號分配，就可以看出這種能力（圖 1）。
圖 1 中所示為是插座的中心接腳佈局。圖示有兩個插頭方向：上面是正常方向，下面是旋轉 180˚ 的插頭。無論插頭方向如何，插入插頭時相應的訊號都是匹配的。
圖 1 ：從每個部分看 USB-C 插頭連接器（上方和下方）和插座（中間）的訊號分配，我們可看出將插頭旋轉 180 ˚ 插入時仍然可以獲得正確的訊號匹配。（圖片來源： Art Pini ）
USB-C 連接器內的訊號組在表1中突出顯示，與圖1中相應的連接器接腳訊號的顏色相匹配，顯示了 USB-C 連接器在不同應用中的多功能性。高速差分訊號通道可以支援最高 40 Gbits/s 的傳輸速率，並且可同時用於 USB4 和備用模式及隧道協定。
表 1 ： USB4 連接器訊號匯總，包括兩個高速差分訊號通道，一個 USB 2 差分訊號路徑，以及電源和介面控制訊號。訊號組的填充顏色與圖 1 所示的相應連接器接腳訊號的顏色完全匹配。（表格來源： Art Pini ）
USB4 支援的備用模式協定包括 Thunderbolt、DisplayPort (DP)、行動高畫質連結（MHL）、周邊組件高速互連（PCIe）和高畫質多媒體介面（HDMI）。其它備用模式協定可以透過 USB PD 協定握手來定義和啟用，使用結構化的、供應商自訂訊息（VDM）來發現和配置備用模式。
USB PD 還允許裝置協商由電源供電的功率水平。USB4 支持的最大功率水平為 100 瓦特、20 伏特、5 安培 (A)。這種能力可能需要電源可程式化設定，電源控制和主動纜線允許快速充電。裝置之間的供電合約是使用配置通道（CC）線路使用雙相標記編碼以 300 千鮑率和半雙工模式進行協商的。
所有這些不同的協議都使用一個共同的連接器有很多好處，使之可應用於音訊、視訊、資料儲存和資料通訊應用，它還允許對開發中的新的和即將出現的協議進行定義。
該連接器的接腳分配佈局符合人們常識印象，可最大限度地提高訊號完整性。例如，高速和 USB 2 資料線是差分的，可減少串擾和 EMI。此外，所有資料線都在電源和接地匯流排或其他低頻寬訊號線之間運行，以提供隔離，而且高速資料線被佈置在相對的兩側，以儘量減少通道間的串擾。
Amphenol ICC USB4 插座產品特性
為了幫助應對 USB4 的設計挑戰，Amphenol ICC 推出了四種 USB4 第 3 代插座，其性能優於現有標準。它們是下一代連接器，達到標準要求的最高 40Gbits/s 的資料傳輸率，且與 USB PD 相容，同時透過 Thunderbolt 介面在單個 Type-C 連接器中結合了電源充電、通道 USB 和 PCIe 資料傳輸。這些連接器還支援 DisplayPort 視訊和音訊，更新率為 60 赫茲（Hz）的 4K 超高畫質（UHD）。
這些連接器的一個重要的 USB4 特性是它們能夠在傳輸視訊和資料時動態地最佳化頻寬。根據標準，新的 USB4 連接器是向後相容的，支援以前的 USB 版本，包括 USB 2、3.1 和 3.2，但具有可旋轉的插頭和纜線方向，大幅地增強了 USB 用戶體驗。該連接器的小尺寸和功能多樣性使之成為融入新興技術的理想選擇。
機械設計支持功率和耐久性
Amphenol ICC USB4 插座旨在提供具有 10,000 次配接壽命的卓越性能，具有高耐用性和較少的插拔操作磨損。在導電路徑的設計中重點加入了高品質的銅金屬合金，確保了 40 毫歐姆（mΩ）的低損耗接觸電阻，以及擴展的 5A 電流額定值，使得 USB 供電輸送功率達到 100 瓦特。
該連接器的中間板側壁進行了改進，最大限度地擴大了接觸面積，並穩定了接觸性能，使其無晃動（圖 2）。
圖 2 ： Amphenol ICC USB4 插座的強化側壁設計實現了 “ 無晃動 ” 連接，提供了更好的 EMI 保護和更好的機械保護，防止插頭誤插。（圖片來源： Amphenol ICC ）
增強的機械功能包括一個延伸的側壁板，該板延伸到插座舌片的一角，以防止非 Type-C 插頭的插入，如插入微型 USB 插頭。相同的側壁與中板一起接地，提供了額外的遮罩並減少了 EMI。在內遮罩層上增加了凹痕，插入時會引導插頭並保持插頭體位置正確。整個機械元件提供了穩定的鎖定性能和與配接導體表面的最大重疊接觸面積，最大限度地減少了接觸電阻，強有力的哢嚓聲確保了完全插入。
Amphenol ICC 產品系列
Amphenol ICC 產品中共有四個 USB4 Type-C 插座（圖 3）。
圖 3 ： Amphenol ICC USB4 第 3 代 Type C 插座包括三個頂部固定式版本和一個中間固定式版本。（圖片來源： Amphenol ICC ）
GSB4D313302Y1HR 採用直角通孔安裝的頂部固定式插座，目前已通過 USB-IF 認證，並被英特爾推薦用於 Thunderbolt 4。其外殼具有前後一致的截面，中心高度為 1.58 毫米 (mm)（從安裝平面到連接器舌片的距離）。
12402056E512A 和 12402073E512A 也是採用通孔安裝的頂部固定式插座，但它們的外殼是矩形的，中心高度為 1.57 mm。撰寫本文時這些插座標準認證正在申請中。
12402075E512A 是一款中間固定式插座，中心高度僅為 0.47 mm，配置更加緊湊。它也使用通孔安裝，該插座的認證目前也在申請中。
所有這些插座的額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C，因此成為車載應用的絕佳搭配。
USB4 連接器的應用
這些插座將在儲存、汽車資訊娛樂、家庭娛樂、對接裝置、周邊介面（顯示器／顯示幕、投影機）以及其他消費性應用（如筆記型電腦）和平板電腦中找到用途。它們體積小，支援多種模式以及功率控制，實現了巨大的通用性。
結語
USB Type-C 連接器具有處理多種高速通訊協定和功率水平的能力，隨著用戶尋求更快資料傳輸率、更高充電能力和更簡便連接，它們正成為越來越多的應用的首選。有了 USB4，使用者就可以獲得備用模式和通道支援。這些改進將確保 USB4 在更多不同且可能更苛刻的環境和應用中得到更廣泛的採用。為了幫助設計者使用，Amphenol ICC USB4 插座的設計超過了基本的 USB-IF 規範，減輕了 EMI 的影響，並確保了在多次插拔後和寬溫度範圍內保持良好連接。
作為音視訊、資料儲存、資料通訊傳輸以及充電應用中最重要的連接標準，USB Type-C的標準一直在演進，無論是設計還是應用，都要基於對最新的協議有著充分的瞭解。您是否正在進行搭載USB4的系統設計？在選用USB4連接器上，您有哪些經驗和考量？歡迎分享和交流！