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USB 3.1 - 在工业应用中的使用

USB 究竟能否实现通用?

“通用串行总线”专为消费市场而设计,在这一领域中确实已得到普遍应用。随着 USB-3.1 标准的推出,电子元件制造商伍尔特电子现在已经能够做到让 USB 适合于工业应用——能满足特定要求。

作为消费领域的标准,USB 已经完全取代许多端口。在工业应用中,USB 也越来越受亲睐,例如用于读取测量数据、连接移动设备或者在机器上安装软件更新。然而,USB 却一直未能在工业中实现广泛渗透。原因何在?

除了规格限制之外,USB 目前还有一个形象问题:USB 连接器一直被视为用于低要求应用的廉价配件,而不是坚固耐用的工业连接器。这种观点也并非完全没有道理:许多产品根本上就有质量缺陷;通用连接器的价格压力也极高。因此,使用的原材料通常不能匹配应用要求,这会导致可焊性问题,进而削弱锁定机构和耐用性。不仅是材料,连接器的机械设计的影响也非常重要:插拔力可能会产生负面影响。在最坏的情况下,连接器在插拔时可能会损毁插座。

USB 存在 EMC 问题?

另一个潜在问题是:由于采用对称数据传输,实际上 USB 本应具有非常强的抗干扰能力。在感应干扰效应(磁场)情况中,电线的缠绕可实现对干扰效应的补偿。理论上,由于部分电感的对称化作用,干扰影响可以相互补偿。在实际情况中,这种抗干扰能力可能会削弱,导致人们认为 USB 不适合一些应用。其原因通常在于 USB 控制器的输入/输出缺乏对称性,或仅仅在于模块质量低劣:

接口设计(插座、壳体)不足。接地较差会降低电缆的屏蔽衰减。滤波器的接地基准欠佳。

USB 电缆是非对称的屏蔽不良的电缆且接地不充分。电缆降低信号质量、辐射信号谐波且对外部干扰源没有充分的屏蔽衰减。

只有工业研发人员预计到最终用户购买的控制器或使用的电缆可能无法充分免除干扰并考虑采用额外的 EMC 保护措施,才能规避这个问题。考虑到 USB 连接器的理论性质,忽略 EMC 问题的制造商和研发人员在实际中会遇到问题。

有说服力的理由 

考虑到 USB 3.1 的额外优点,以往由于上述原因而认为 USB 不适用的人们会重新审视自己的决定。单是数据传输速率翻倍达到 10 Gbps,就是一个强有力的理由。供电能力从 9 W 到 100 W 的大幅提升,对于工业应用也极具吸引力。这可以实现更多应用:现在也能反向供电,即从客户端向主机供电。

最后但并非最不重要的一点是:为了要插对 USB 连接器的方向,往往要反复尝试,令人不胜其烦,但 USB 3.1 解决了这一问题:USB 3.1 版本的 C 型插头不再区分正反方向。不仅消费电子产品的研发人员希望他们的用户可以享受更加快捷简便的操作,

10 Gbps、100 W、操作简便——这些理由也让广泛的工业应用领域向 USB 3.1 敞开大门。USB 现在可以替代一些使用方式较为复杂的技术,如 PCI Express 或 Thunderbolt,当然还有批量生产的成本考虑。

但是:需要高品质的 USB 连接器

可以想象到的 USB 部署场景真的非常广泛。只需一个连接器就能满足许多不同要求,例如数据交换、供电、视频内容和网络,还可替代 D-Sub、HDMI 以及模块化插座。典型的应用实例有外部硬盘和服务器,集成显示器的医疗应用,需要数据备份的工业应用,智能手机以及传感器、充电宝和小型显示器等各种便携设备。

然而,即使技术可能性有所扩展,也仍然需要遵守工业用户的基本条件。对于工业 USB 应用,前文所述的 EMC 防护问题非常重要,必须在应用中得到可靠解决。如果不想拿应用可靠性冒险,就不应该在材料上过分节省,并且应该集成高品质的模块。

区分高品质连接器的细节之一是经过优化的连接角度。如果连接角度大于 40 度,插入连接器时可能会损坏触点。理论上,连接器应当具有 30 度的倒角,以便限制风险。但在实际情况中,并不一定会设置这种倒角。因此,“低成本连接器”可能会损害客户的最终应用,从而招致投诉、维修费用和形象受损的风险——这一切仅仅是因为一个 USB 插座。因此,市场上的插座设计必须使其能够适用于不兼容的连接器。USB-3.1 模块改进了屏蔽并增加了接触面的涂层厚度以避免高机械负载,这是未来的方向,但是价格当然较为昂贵。不过,它们的耐用性可达 10000 次插拔,因此也适合寿命长于短期消费品的设备。

USB 3.1 接下来会带来什么?

首先,可以预期消费者应用市场会有蓬勃发展。即使是现在,许多智能手机制造商也已经使用 USB 3.1 C 型替代 USB 2.0 或者 Micro USB 3.0 B 型。连接器制造商预计,工业公司在研发团队对其要求以及使用新技术可能面临的制约因素进行评估后,一年之内就会跟进效仿。特别是在高品质材料和良好的 EMC 解决方案得到重视时,USB 3.1 会是真正的进步。

伍尔特电子将参加慕尼黑国际电子展 (Electronica):B6 展厅 404 展台

伍尔特电子 USB 连接器产品经理 Nicolas Prou

伍尔特电子 USB 连接器产品经理 Nicolas Prou

图片来源:伍尔特电子

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USB-3.1 C 型连接器:终结插入时的反复尝试。

USB 3.1 C 型插座

USB 3.1 C 型插座

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USB 3.1 C 型插座引脚分配

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USB 3.1 C 型视图