El Bus Serie Universal (USB) es probablemente una de las interfaces más versátiles del mundo. Desarrollado originalmente por Intel y Microsoft, se caracteriza por su facilidad de conexión y uso en caliente. Desde su introducción en 1994, tras 26 años de desarrollo, pasando por las versiones USB 1.0/1.1, USB 2.0 y USB 3.x, ha evolucionado hasta llegar a la actual USB 4. La velocidad de transmisión también ha aumentado de 1,5 Mbps a los 40 Gbps más recientes. Actualmente, no solo los smartphones de última generación son compatibles con la interfaz USB-C, sino que también ordenadores portátiles, cámaras digitales, altavoces inteligentes, baterías externas y otros dispositivos han comenzado a adoptar esta interfaz, que se ha introducido con éxito en el sector automotriz. El nuevo Tesla Model 3, en lugar de puertos USB-A, incorpora puertos USB-C, y Apple ha migrado completamente sus MacBooks y AirPods Pro a puertos USB-C para la transferencia de datos y la carga. Además, de acuerdo con los requisitos de la UE, Apple también utilizará la interfaz USB tipo C en el futuro iPhone 15, y no hay duda de que USB4 será la interfaz principal de los productos en el mercado futuro.
Requisitos para cables USB4
El cambio más importante en el nuevo USB4 es la introducción de la especificación del protocolo Thunderbolt, compartida por Intel con usb-if. Al funcionar sobre enlaces duales, el ancho de banda se duplica a 40 Gbps, y la tunelización admite múltiples protocolos de datos y visualización, como PCI Express y DisplayPort. Además, USB4 mantiene una buena compatibilidad con el nuevo protocolo subyacente, siendo retrocompatible con USB 3.2/3.1/3.0/2.0 y Thunderbolt 3. Como resultado, USB4 se ha convertido en el estándar USB más complejo hasta la fecha, lo que exige a los diseñadores comprender las especificaciones de USB4, USB 3.2, USB 2.0, USB Tipo-C y USB Power Delivery. Asimismo, deben comprender las especificaciones de PCI Express y DisplayPort, así como la tecnología de protección de contenido de alta definición (HDCP), compatible con el modo DisplayPort de USB4. Los cables y conectores que utilizamos habitualmente deben cumplir con los requisitos de rendimiento eléctrico de los productos terminados de cables USB4.
Apareció de la nada una versión coaxial de USB4
En la era del USB 3.1 de 10G, muchos fabricantes adoptaron la estructura coaxial para cumplir con los requisitos de rendimiento de alta frecuencia. La versión coaxial no se utilizaba anteriormente en la serie USB; sus aplicaciones principales se limitaban a portátiles, teléfonos móviles, GPS, instrumentos de medición, tecnología Bluetooth, etc. Los cables coaxiales se utilizan comúnmente en aplicaciones médicas, cables electrónicos coaxiales de teflón y cables coaxiales de radiofrecuencia. Debido a las exigencias del mercado para el control de costes, en la era del USB 3.1, los cables trenzados que cumplían con los requisitos de rendimiento se hicieron rápidamente populares. Sin embargo, con la llegada del USB 4.0, los requisitos de transmisión de alta frecuencia son cada vez más rigurosos y la transmisión de alta velocidad requiere cables con una gran capacidad antiinterferencias y una alta estabilidad eléctrica. Para garantizar la estabilidad de la transmisión de alta frecuencia, el USB 4.0 sigue utilizando principalmente la versión coaxial. El proceso de producción y fabricación de cables coaxiales es complejo y requiere equipos de producción adecuados y un proceso de producción maduro y estable para aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad. En la producción del producto, la selección de materiales, los parámetros del proceso y el control del proceso, los parámetros eléctricos de las pruebas de laboratorio especializadas juegan un papel clave, a lo largo del cuello de botella del desarrollo de la estructura coaxial, además de que otros factores (costo del material, costo de procesamiento elevado) son buenos, pero el desarrollo del mercado siempre gira en torno a cómo lograr el mayor precio por lote, la versión de torsión de par siempre ha estado en la brecha de la investigación y el desarrollo coaxial y el avance.
Como se puede observar en la estructura del cable coaxial, de adentro hacia afuera, consta de: conductor central, capa aislante, capa conductora exterior (malla metálica) y revestimiento. El cable coaxial es un compuesto formado por dos conductores. El conductor central se utiliza para transmitir señales. La malla metálica de apantallamiento cumple dos funciones: proporciona la conexión a tierra común para la señal y suprime la interferencia de ruido electromagnético. Entre el conductor central y la malla de apantallamiento se encuentra una capa aislante de polipropileno semiespumado. Esta capa aislante determina las características de transmisión del cable y protege eficazmente el conductor central, lo que justifica su elevado precio.
¿Llegará una versión con par trenzado USB4?
A medida que los circuitos electrónicos operan a frecuencias más altas, las características eléctricas de los componentes se vuelven más difíciles de controlar. Cuando el tamaño del componente o del circuito completo, comparado con la longitud de onda de la frecuencia de operación, es mayor que uno, el valor de la inductancia y capacitancia del circuito, o el efecto parásito de las propiedades del material de los componentes, etc., incluso usando la estructura de pares de cables, las pruebas de parámetros de frecuencia básicos no cumplen con los requisitos de los clientes. Además, la flexibilidad de la estructura coaxial y su diámetro son mucho mayores. ¿Por qué no se puede aplicar el par USB en lotes? En general, a mayor frecuencia de uso del cable, menor longitud de onda de la señal y menor paso de empalme, mejor es el balance. Sin embargo, un paso de empalme demasiado pequeño reduce la eficiencia de producción y provoca torsión en el núcleo aislado. Un paso de par muy pequeño implica muchas torsiones y una gran concentración de tensión en la sección, lo que produce una deformación y daños graves en la capa aislante y, finalmente, distorsiona el campo electromagnético, afectando indicadores eléctricos como el valor SRL y la atenuación. Cuando existe excentricidad en el aislamiento, la distancia entre los conductores cambia periódicamente debido a la revolución y rotación de la línea aislante, lo que provoca una fluctuación periódica de la impedancia. El periodo de fluctuación es relativamente largo. En la transmisión de alta frecuencia, este cambio gradual puede detectarse mediante ondas electromagnéticas y afectar la pérdida de retorno. La versión de pares USB4 no se puede utilizar en lotes.
No a tierra, pero sin querer usar un cable coaxial defectuoso, se empezó a investigar diferentes métodos de apantallamiento USB4 para fabricar el producto. El mayor inconveniente del cableado es que el conductor se retuerce fácilmente. La diferencia con el cableado paralelo directo evita la torsión del conductor. Como sabemos, actualmente se utilizan tecnologías como SAS y SFP+ en líneas de alta velocidad, lo que demuestra que su rendimiento es superior al de las versiones cableadas. Una función importante de las líneas de datos de alta frecuencia es transmitir señales de datos, pero al usarlas pueden aparecer interferencias. ¿Qué sucede si estas señales de interferencia entran en el conductor interno de la línea de datos y se superponen a la señal transmitida original? ¿Podrían interferir o alterar la señal original, causando así pérdida de señal o problemas? La diferencia de la capa de aluminio radica en que transmite información y actúa como protección y blindaje, reduciendo la interferencia de señales externas. El material principal del cable, que se utiliza para el sellado y blindaje, es una lámina de aluminio con recubrimiento simple o doble sobre una película plástica. Se emplea una lámina compuesta de aluminio y aluminio como blindaje del cable. Esta lámina requiere menos aceite en la superficie, no presenta perforaciones y posee altas propiedades mecánicas. El proceso de envoltura consiste en agrupar dos conductores aislados y los conductores de tierra mediante una máquina de envoltura. Simultáneamente, se aplica una capa de aluminio y una cinta de poliéster autoadhesiva en la envoltura exterior para blindar el par de conductores y estabilizar la estructura. Este proceso influye significativamente en las propiedades del cable, incluyendo la impedancia, la diferencia de retardo y la atenuación, ya que debe realizarse siguiendo estrictos requisitos de fabricación y someterse a pruebas de propiedades eléctricas para garantizar que el cable envuelto cumpla con los requisitos. Cabe mencionar que no todas las líneas de datos cuentan con dos capas de blindaje. Algunas tienen múltiples capas, otras solo una, o ninguna. El apantallamiento es una separación metálica entre dos regiones espaciales para controlar la inducción y radiación de ondas eléctricas, magnéticas y electromagnéticas de una región a otra. Específicamente, el núcleo conductor está rodeado por un cuerpo de apantallamiento para evitar que se vea afectado por campos electromagnéticos externos o señales de interferencia, y para impedir que estos campos o señales de interferencia se propaguen hacia el exterior. Las pruebas de señales de alta frecuencia mediante pares diferenciales USB son comparables a las de cables coaxiales; próximamente se lanzará un cable USB4 de par diferencial.
Fecha de publicación: 16 de agosto de 2022
