信號完整性實戰(zhàn)：USB3.0

1 測試背景

USB總線自面世第一代開始，就對電氣性能的要求特別高，特別是信號完整性。隨著USB總線的不斷升級，速率也是成倍的增長，從當年USB1.0的1.5Mbps，到后來的USB1.1的12Mbps，USB2.0的速率達到了480Mbps，USB3.0 Super Speed規(guī)范發(fā)布的時候已經(jīng)高達5Gbps，在2015年，USB-IF協(xié)會更是發(fā)布了速率為10Gbps的USB3.1版本。如此高的速率對于設計中任何一點的瑕疵都是難以接受的，比如電源干擾、布線過長、線纜、連接器品質(zhì)不好等等。USB版本的升級，不僅僅是信號速率的提升，原本只有一組信號線，也在USB3.0之后也增加到了三組信號線，信號的幅值也變得更低。這些綜合在一起因素給產(chǎn)品硬件工程師在設計和測試驗證時帶來了非常大的挑戰(zhàn)。

2 USB3.0簡單的原理框圖

圖1 USB3.0簡單的原理框圖

USB3.0又稱為SuperSpeed USB總線，與高速(High Speed)USB2.0總線相比，為了達到總線對USB2.0/1.1/1.0的向下兼容，總線保留了USB2.0信號線(D+，D-，Vbus，GND)，同時增加了兩對USB 3.0超高速差分信號(SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-)，一組差分對用來發(fā)射信號，另一組接收信號，從而實現(xiàn)全雙工傳輸，USB3.0信號傳輸速率達到5Gbps;電流最大達到900mA;在EMC方面，為了達到降低EMI的影響，增加了SSC(擴頻時鐘)功能。

3 測試系統(tǒng)搭建和介紹

任何測試系統(tǒng)的搭建都是以測試目的為導向的，在測試之前一定要明確測試的目的。對于完整的USB3.0信號完整性測試，需要對TX端和RX端都進行完整的測試，但是對于大多數(shù)廠商來講，可能只能完成基本的TX端測試。我們這個測試也只對TX端進行測試，所以測試的系統(tǒng)就是一臺示波器、DUT、測試夾具和測試線纜。如下所示：

圖2測試系統(tǒng)

示波器：Keysight Infiniium DSO90804A，帶寬為8GHz，采樣率為40GSa/s;

測試夾具：Keysight U7242-66501 USB3.0 test fixture

線纜：18GHz SMA頭的線纜

測試軟件：KeysightU7243B USB3 Test App

Keysight的USB 3.0 發(fā)送端一致性測試軟件U7243A可以支持嵌入(Embed)、去嵌入(De-embed)的功能，這對研發(fā)工程師的作用非常大。在軟件中還直接內(nèi)置提供Host和Device的一致性通道傳遞函數(shù)，可以嵌入一致性通道模型，完成對一致性測試的要求，這主要體現(xiàn)在包含了測試過程中加入了長通道和短通道的S參數(shù)在其中，這時不管你是做的Host端的產(chǎn)品還是Device端的產(chǎn)品，只要在測試時選擇對應參數(shù)即可代表真實的使用情況。這樣也符合一致性測試規(guī)范。

4 測試過程

Keysight示波器對于USB3.0這類接口的測試都有非常完善的測試解決方案，這些方案都是標準流程化的，只要進入到軟件測試界面即可按照流程圖一步一步的往下進行測試。下面是測試時的相關設置和注意事項：

在測試前，首先要預熱、校準示波器(大約20分鐘)、線纜需要做de-skew。這一步非常的關鍵，特別是線纜做de-skew，因為很多時候線纜與線纜之間有一些偏差，如果不做de-skew就會導致在差分信號的正端和負端引入系統(tǒng)誤差。

然后就開啟測試USB3.0軟件U7243B USB3Test App，如下所示：

圖3 開啟測試軟件

接著就是設置DUT類型、速率、夾具和測試分析模式，由于DUT是device，所以在Device一欄選擇Device;USB3.0的速率為5G;測試的夾具分為了兩類，一類是USB-IF協(xié)會的，另一類就是keysight(Agilent)的，在這里選擇的是keysight(Agilent)的測試夾具;另外一個非常關鍵的點就是Test Method，是否選用USB-IF SigTest的分析方法，通常，我們會選擇使用;選擇參考時鐘，一般高速串行信號都會選用SSC模式;還要根據(jù)產(chǎn)品使用。

圖4 keysight示波器設置界面

選擇測試項目，一般情況，工程師都會選擇全部測試項，這樣才能最完整的按照規(guī)范要求進行測試，當然，這也要看測試目的，如果只是debug，那么可以選擇相對應的選項即可，這樣可以節(jié)約測試時間。具體操作如下圖所示：

圖5 選擇測試項目

配置測試條件。一般使用默認設置，常用的調(diào)整配置item有：使用的示波器通道，測試碼型，測試的UI數(shù)，自動切換測試碼型。如下圖所示：

圖6 配置測試條件

連接測試系統(tǒng)，包含示波器、夾具和DUT。測試軟件會指示工程師的每一步連接，連接完成后，這里要注意，在連接完成之前，左下角的顏色是黃色的，連接完成之后，勾選’ I have completed theseinstructions’，就會變成綠色。如下兩圖所示：

圖7 連接測試系統(tǒng)

圖8連接完成后

最后，單擊Run test。軟件會自動開始測試，但是要隨時注意軟件的提示，按提示進行一些觸發(fā)動作等等。

斷開被測件和夾具，然后重啟被測件，完成這兩個操作后，點擊OK。

圖9 重啟DUT

將被測件接入夾具，觀察示波器是否捕捉到參考波形，如參考波形和示波器顯示波形相同，點擊成這兩個操作后，點擊OK

圖10 測試TP0

完成LFPS信號測試后，軟件提示更改連接，注意：此時提示連接夾具的’SSRX+‘和示波器的AUX OUT。

測試完成之后軟件會自動生成報告，如下為部分測試報告內(nèi)容：

圖11 測試報告內(nèi)容

在報告中包含了測試的結果、波形和眼圖以及SSC相關內(nèi)容。對測試項也有比較清晰的說明，這非常有利于理解測試報告以及問題的分析。

5問題描述和結果分析

由于這個項目在上一版本的時候是沒有任何問題的，所以在新版本生產(chǎn)好之后沒有及時的對USB接口進行測試，當在產(chǎn)線上進行系統(tǒng)測試時，發(fā)現(xiàn)時斷時續(xù)的讀取不到device。然后分析USB口的電源和信號完整性是否滿足設計要求，測試之后發(fā)現(xiàn)，電源是沒有問題的，但是USB3.0的信號完整性確實存在問題，測試眼圖如下：

圖12 原始眼圖

從眼圖分析，出現(xiàn)了眼圖壓到內(nèi)模板。出現(xiàn)這種情況首先想到的就是另外再測試其他的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)結果都是一樣;接著就考慮是鏈路上的損耗是否變大?由于CPU芯片、連USB連接器和PCB材料都使用的是相同的物料，唯一改變的物料就是共模電感。上一版本的共模電感為M公司的物料，為了降低產(chǎn)品設計成本，新版本使用的是Y公司的物料，有可能問題就出現(xiàn)在這顆物料上。

不同點找到之后，要求Y供應商提供物料的S參數(shù)，然后對比兩家的參數(shù)如下：

圖13 對比兩家物料的S參數(shù)(使用Keysight公司的仿真軟件ADS)

從對比結果上分析，很顯然Y公司的物料與M公司的物料存在很大的差異性，在頻率為一開始就差距很大，Y公司的物料在3.778GHz時有一個比較大的諧振點，損耗降到了-6dB以下，而M公司的物料損耗一直都保持在-3dB以上，顯然，用在電路上會有一個非常大的差異。通過更換物料之后，再進行信號完整性測試，眼圖如下：

圖14 改善后的眼圖

對比兩個眼圖的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)結果得到很大的改善。再進行系統(tǒng)測試，插拔100次都沒有再出現(xiàn)讀取不到device的現(xiàn)象。

6 總結

在這個項目中，由于硬件研發(fā)工程師在換物料之后，沒有及時的告知相關部門進行可靠性和電氣性能的評估，單純從數(shù)值上就確定使用物料，這就導致了USB3.0口無法正常讀取到device。在通過使用Keysight的一系列的硬件和軟件工具驗證之后，最終問題得以找到點，并解決。

審核編輯：湯梓紅