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在Computex 2015臺北國際電腦展上，英特爾（Intel）發(fā)布了最新一代的Thunderbolt 3標(biāo)準(zhǔn)。Thunderbolt 3標(biāo)準(zhǔn)線纜與接口直接采用與USB Type-C接口相同的標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備相連。最高傳輸速度提升至40Gbps，是Thunderbolt 2的兩倍，而Thunderbolt 1是10Gbps。Thunderbolt 3完整支持USB 3.1規(guī)格，包括支持最高100W電力傳送。 據(jù)介紹，Thunderbolt 3所支持的傳輸協(xié)議數(shù)量，將比現(xiàn)有任何的 I/O 控制器都多。你可以用同一個(gè) Thunderbolt 3 接口給自己的電腦充電，同時(shí)還能通過轉(zhuǎn)接口來同步手機(jī)，以及輸出視頻： ● 電源：最高支持 100W 電力傳輸 ● 網(wǎng)絡(luò)：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) ● 視頻：支持 DisplayPort，一臺電腦可以通過一個(gè)接口同時(shí)輸出兩個(gè)4K @60Hz視頻，或者一個(gè) 5K 60Hz 視頻（5K顯示器的像素?cái)?shù)比4K多70%） ● 數(shù)據(jù)：支持第三代 PCI-E，支持 USB3、2、1 代等任何數(shù)據(jù)線標(biāo)準(zhǔn)。 在Computex 2015臺北國際計(jì)算機(jī)展上，英特爾展示以一臺筆記本通過Thunderbolt 3同時(shí)輸出兩個(gè)4K影片至兩臺計(jì)算機(jī)屏幕上順暢播出。 英特爾表示，今年底將推出30款Thunderbolt 3控制芯片，搭載Thunderbolt 3的產(chǎn)品將在明年問世。據(jù)英特爾估計(jì)，到了2015年底全球?qū)⒂?億臺計(jì)算機(jī)支持Thunderbolt技術(shù)，涵蓋的計(jì)算機(jī)品牌包括了HP、華碩、聯(lián)想、技嘉、蘋果、Dell等，目前全球有超過250款通過Thunderbolt認(rèn)證的裝置。 分析稱，這對于USB-C陣營以及Thunderbolt標(biāo)準(zhǔn)來說是一個(gè)共贏的策略。隨著蘋果、谷歌等大廠陸續(xù)開始在產(chǎn)品中啟用USB-C接口，加上這一次英特爾Thunderbolt 3接口的推進(jìn)，這象征著設(shè)備接口未來的方向。 你有必要了解的Thunderbolt技術(shù)簡介 ThunderboltI/O技術(shù)由Intel公司開發(fā)，每個(gè)接口配備兩個(gè)10Gbps全雙工數(shù)據(jù)路徑鏈路，要比Firewire800接口快達(dá)12倍。Thunderbolt采用64b/66b數(shù)據(jù)編碼格式，而Intel開發(fā)的接口控制器可將PCI–Express和DisplayPort復(fù)用成為一個(gè)單數(shù)據(jù)流。Intel公司開發(fā)的第一代控制器代號為Light Ridge，隨后的第二代、第三代控制器代號分別是Cactus Ridge和Redwood Ridge，而新一代(第四代)控制器的代號是Falcon Ridge。 在主機(jī)設(shè)備中，控制器從I/O控制器集線器中獲取PCI–Express數(shù)據(jù)，從I/O控制器中的負(fù)信號或如圖1所示的外部圖形控制器中獲取DisplayPort數(shù)據(jù)。接下來，該組合信號通過全雙工差分信號發(fā)出。一般情況下，每個(gè)控制器配備兩個(gè)端口，可進(jìn)行菊花鏈方式的連接。 Thunderbolt采用的是已有的迷你DisplayPort連接器，并已針對Thunderbolt信號的特點(diǎn)對該插槽進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。Thunderbolt還可兼容標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort連接。 表1中對比了映射到迷你DisplayPort連接器上的Thunderbolt信號和標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort信號。線纜可以是電纜或光纜，但無論哪一種線纜都必須要保持活動(dòng)狀態(tài)以確保接收端信號的完整性。對于處于活動(dòng)狀態(tài)的銅纜，最大長度約為3m，而光纜的長度可擴(kuò)展至數(shù)十米。外圍系統(tǒng)會(huì)接收Thunderbolt信號，并將其送至另一控制器中，使其在終端提取PCIExpress與DisplayPort信號。 迷你DisplayPort連接器可在本地DisplayPort模式或Thunderbolt模式下工作，但由于使用的是同一引腳，這兩種工作模式無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，控制器外部會(huì)設(shè)一個(gè)MUX集成電路(IC)，用來控制Thunderbolt模式信號或DisplayPort模式信號的切換。 高速信號設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn) 對設(shè)計(jì)工程師來說，信號完整性是10Gbps以上數(shù)據(jù)速率傳輸所面臨的一大挑戰(zhàn)。這一問題一般是由信號本身的電磁特性引起的，會(huì)導(dǎo)致EMI/EMC信號衰減，進(jìn)而縮短接收或終端側(cè)的時(shí)間窗口并導(dǎo)致信號質(zhì)量惡化。在設(shè)計(jì)過程中，工程師必須特別注意反射噪聲、電源噪聲和串?dāng)_噪聲的影響。通過電路板中殘段(stub)產(chǎn)生的阻抗失配反射可使噪聲隨著不斷增大的頻率/距離而增強(qiáng)。因此，應(yīng)避免在PCB各層之間使用語音干擾分析裝置(VIAS)。 在走線布線期間，應(yīng)使10Gbps信號駐留在PCB的某一層上，而不要穿越其它層。所有線路都應(yīng)避免90°的彎曲，理想狀況是徑向彎曲或大于135°的彎曲，如圖3所示。在高頻率信號設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置至少4個(gè)PCB層：10Gbps信號層、數(shù)字邏輯控制信號層、電源層和接地層。 將終端電阻置于接收端可最大限度地降低生成的殘段長度。在一個(gè)普通的電路線路布局中，生成的殘段始于主要的差分信號對到終端連接器，且線路長度應(yīng)為最短。最佳方法就是將Thunderbolt接口芯片置于距離連接器最近的地方。 使用契合阻抗差分線路。可使用緊密耦合的邊緣耦合帶狀線或微帶線，以確保接收器能夠抑制共模噪聲(如圖4所示，s距離被最小化)。將10Gbps差分對視為一個(gè)獨(dú)特的信號，通過抑制或縮小線路的傾斜度來保持平衡。 高速接口設(shè)備周邊的供電設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的考量因素。良好的供電設(shè)計(jì)是在電源和接地層中使用薄膜電介質(zhì)(2mil~4mil，1mil=0.0254mm)，從而為PCB電源電路創(chuàng)造一個(gè)平面電容，并將電源層和接地層用作旁路電源。這樣一來就可以很容易地增加額外的外部旁路電容器，同時(shí)也可以節(jié)約BOM成本。剩余的外部旁路可使用小型(0603)X7R電容器，然后要密切留意這些電容器的共振頻率，因?yàn)檫@有可能會(huì)導(dǎo)致旁路功能失效。 另外一個(gè)需要密切留意的參數(shù)就是抖動(dòng)。這種信號失真形式會(huì)沿著數(shù)據(jù)路徑累積，分隨機(jī)性抖動(dòng)(Rj)和定量性抖動(dòng)(Dj)兩種。所有的導(dǎo)電材料都會(huì)出現(xiàn)一定程度的信號衰減，因而會(huì)抑制抖動(dòng)并縮小數(shù)據(jù)路徑接收端的眼圖開口度。使用再驅(qū)動(dòng)器/中繼器等信號完整性產(chǎn)品可恢復(fù)眼圖質(zhì)量并減小比特誤碼率(BER)。 由于時(shí)間窗口較小，10Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率更易受抖動(dòng)的影響。阻抗失配可以減少時(shí)間抖動(dòng)容許量。配有適當(dāng)濾波和旁路功能的清潔電源對于減少抖動(dòng)來說也是非常必要的。為此，應(yīng)在有源IC的各個(gè)VCC引腳旁安裝一個(gè)低ESR的0.1μF去耦電容器。 控制器與迷你DP連接器之間視頻與非視頻數(shù)據(jù)都會(huì)復(fù)用和路由至迷你DP連接器上，這是通向外部空間的一個(gè)主要Thunderbolt接口。Thunderbolt控制器配有一個(gè)內(nèi)部處理器，可控制外部MUXIC的切換。連接器配有一個(gè)熱插拔檢測(HDP)引腳，可根據(jù)插入設(shè)備類型告知處理器切換到相應(yīng)信號(如表2所示)。 針對Thunderbolt控制器與連接器之間的MUXIC，可從 p位于Thunderbolt控制器、MUXIC與連接器之間的10Gbps差分對是十分關(guān)鍵的信號路徑。一般會(huì)有兩個(gè)10Gbps發(fā)送信號對(HS0TX與HX1TX)和兩個(gè)10Gbps接收對(HS0RX與HS1RX)。HS1RX差分信號對通過3:1MUX進(jìn)行切換，因此要確保MUX的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(如差分插損、差分回?fù)p、串?dāng)_、隔離性及傾斜度)不會(huì)導(dǎo)致10Gbps信號惡化。所有的10Gbps信號必須位于同一PCB層上，不應(yīng)穿過其它任何一層。這些信號應(yīng)呈條狀線或微帶線分布，且應(yīng)完美契合，以避免出現(xiàn)傾斜。 接口中有多個(gè)10Gbps差分信號對。使用微帶線時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最佳的信號完整性，應(yīng)確保兩個(gè)差分信號對之間的距離(D)為差分信號間缺口距離的兩倍以上，這樣就可以最大限度地減少兩個(gè)差分信號對之間的串?dāng)_。當(dāng)差分信號對離開MUXIC或控制器IC時(shí)，將差分線路(S)的長度設(shè)為3H,具體細(xì)節(jié)參考圖5。 所有的高速及低速差分對都會(huì)AC耦合到Thunderbolt控制器中。根據(jù)Thunderbolt互聯(lián)規(guī)范，10Gbps接收路徑的AC耦合電容器值應(yīng)介于0.34μF和0.6μF之間，發(fā)送路徑的值應(yīng)介于0.17μF~0.3μF之間。在該示例設(shè)計(jì)中，發(fā)送路徑上使用的是0.22μF的電容器，而接收路徑上使用的是0.47μF的電容器。此外，AC耦合電容器的大小應(yīng)與微帶線PCB線路的寬度相匹配，以減少信號丟失或阻抗失配。如圖6所示，電容器應(yīng)并行放置，且彼此之間不得相互抵消。更可取的做法是將電容器置于傳輸線對的終端。 在整體設(shè)計(jì)過程中，在控制器與連接器之間使用低成本ThunderboltMUX可最大限度地減少外部組件的數(shù)量。這樣一來，只要滿足了所有高速電路板設(shè)計(jì)指南的要求，這一架構(gòu)方案就可使速率高于10Gbps的信號以一種直接、可靠的方式進(jìn)行路由。 |
