Giao diện USB (Universal Serial Bus) có lẽ là một trong những giao diện đa năng nhất trên thế giới. Ban đầu được Intel và Microsoft khởi xướng, giao diện này nổi bật với khả năng cắm nóng và chạy dễ dàng. Kể từ khi giao diện USB được giới thiệu vào năm 1994, sau 26 năm phát triển, trải qua các phiên bản USB 1.0/1.1, USB 2.0, USB 3.x, cuối cùng đã phát triển đến USB 4 hiện nay; tốc độ truyền tải cũng tăng từ 1.5Mbps lên đến 40Gbps. Hiện nay, không chỉ các điện thoại thông minh mới ra mắt về cơ bản hỗ trợ giao diện Type-C, mà cả máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, loa thông minh, pin dự phòng và các thiết bị khác cũng đã bắt đầu áp dụng giao diện USB Type-C, và đã được ứng dụng thành công trong lĩnh vực ô tô. Thay vì USB-A, Tesla Model 3 mới sử dụng cổng USB-C, và Apple đã hoàn toàn chuyển đổi MacBook và AirPods Pro sang cổng USB Type-C thuần túy để truyền dữ liệu và sạc pin. Ngoài ra, theo yêu cầu của EU, Apple cũng sẽ sử dụng giao diện USB Type-C trong iPhone 15 tương lai, và chắc chắn USB 4 sẽ là giao diện sản phẩm chính trên thị trường trong tương lai.
Yêu cầu đối với cáp USB4
Thay đổi lớn nhất trong USB4 mới là việc giới thiệu thông số kỹ thuật giao thức Thunderbolt mà Intel đã chia sẻ với usb-if. Hoạt động trên hai liên kết, băng thông được tăng gấp đôi lên 40Gbps, và Tunnelling hỗ trợ nhiều giao thức dữ liệu và hiển thị. Ví dụ bao gồm PCI Express và DisplayPort. Ngoài ra, USB4 duy trì khả năng tương thích tốt với việc giới thiệu giao thức cơ bản mới, tương thích ngược với USB3.2/3.1/3.0/2.0, cũng như Thunderbolt 3. Kết quả là, USB4 đã trở thành tiêu chuẩn USB phức tạp nhất cho đến nay, đòi hỏi các nhà thiết kế phải hiểu các thông số kỹ thuật của USB4, USB3.2, USB2.0, USB Type-C và USB Power Delivery. Thêm vào đó, các nhà thiết kế phải hiểu các thông số kỹ thuật của PCI Express và DisplayPort, cũng như công nghệ bảo vệ nội dung độ phân giải cao (HDCP) tương thích với chế độ DisplayPort của USB4, và các loại cáp và đầu nối mà chúng ta quen thuộc có yêu cầu cao hơn để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất điện của các sản phẩm cáp USB4 hoàn chỉnh.
Một phiên bản USB4 dạng cáp đồng trục bất ngờ xuất hiện.
Trong kỷ nguyên USB 3.1 10G, nhiều nhà sản xuất đã áp dụng cấu trúc cáp đồng trục để đáp ứng yêu cầu hiệu năng tần số cao. Trước đây, phiên bản cáp đồng trục chưa được ứng dụng rộng rãi trong các dòng USB, các ứng dụng chính của nó bao gồm máy tính xách tay, điện thoại di động, GPS, thiết bị đo lường, công nghệ Bluetooth, v.v. Ứng dụng phổ biến của cáp đồng trục bao gồm cáp đồng trục y tế, cáp điện tử đồng trục Teflon, dây dẫn đồng trục tần số vô tuyến, v.v. Với yêu cầu kiểm soát chi phí sản xuất hàng loạt trên thị trường, trong kỷ nguyên USB 3.1, cáp đồng trục đáp ứng hiệu năng cao đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường. Tuy nhiên, với thị trường USB 4, yêu cầu truyền tải tần số cao ngày càng khắt khe hơn, và truyền tải tốc độ cao cần dây dẫn có khả năng chống nhiễu mạnh và hiệu năng điện ổn định. Để đảm bảo sự ổn định của truyền tải tần số cao, hiện nay USB 4 vẫn chủ đạo sử dụng phiên bản cáp đồng trục. Quá trình sản xuất và chế tạo cáp đồng trục rất phức tạp, đòi hỏi thiết bị sản xuất phù hợp và quy trình sản xuất ổn định, hoàn thiện. Trong quá trình sản xuất sản phẩm, việc lựa chọn vật liệu, thông số quy trình và kiểm soát quy trình, các thông số điện của các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chuyên dụng đóng vai trò then chốt. Trong suốt quá trình phát triển cấu trúc đồng trục, điểm nghẽn chính là ngoài những yếu tố như chi phí vật liệu, chi phí gia công cao, còn những yếu tố khác như giá thành sản phẩm cao, nhưng sự phát triển của thị trường luôn xoay quanh việc làm thế nào để đạt được giá thành sản phẩm cao nhất. Phiên bản xoắn đôi luôn là khoảng trống trong nghiên cứu và phát triển, và cần có những đột phá trong lĩnh vực cấu trúc đồng trục.
Có thể thấy từ cấu trúc của cáp đồng trục, từ trong ra ngoài, lần lượt là: dây dẫn trung tâm, lớp cách điện, lớp dẫn điện bên ngoài (lưới kim loại), lớp vỏ dây dẫn. Cáp đồng trục là một cấu kiện tổng hợp gồm hai dây dẫn. Dây dẫn trung tâm của cáp đồng trục được sử dụng để truyền tín hiệu. Lưới chắn kim loại đóng hai vai trò: một là cung cấp vòng dòng điện cho tín hiệu như một điểm nối đất chung, và hai là triệt tiêu nhiễu điện từ tác động lên tín hiệu như một lớp chắn. Giữa dây dẫn trung tâm và lưới chắn là lớp cách điện bằng polypropylen bán xốp, lớp cách điện quyết định đặc tính truyền dẫn của cáp và bảo vệ hiệu quả dây dẫn trung gian, do đó có giá thành cao.
Phiên bản USB4 cáp xoắn đôi sắp ra mắt?
Khi các mạch điện tử hoạt động ở tần số cao hơn, đặc tính điện của các linh kiện điện tử trở nên khó kiểm soát hơn. Khi kích thước linh kiện hoặc kích thước toàn mạch so với bước sóng của tần số hoạt động lớn hơn một, giá trị điện cảm, điện dung của mạch, hoặc hiệu ứng ký sinh của các đặc tính vật liệu của linh kiện, v.v., ngay cả khi chúng ta sử dụng cấu trúc dây dẫn đôi, việc kiểm tra các thông số tần số cơ bản vẫn không đáp ứng được yêu cầu của khách hàng, và độ linh hoạt so với cấu trúc cáp đồng trục và đường kính của nó cũng kém xa, vậy tại sao không thể áp dụng cáp USB đôi theo lô? Nói chung, tần số sử dụng cáp càng cao, bước sóng tín hiệu càng ngắn và khoảng cách lệch càng nhỏ thì hiệu quả cân bằng càng tốt. Tuy nhiên, khoảng cách nối quá nhỏ sẽ dẫn đến hiệu suất sản xuất thấp và làm biến dạng dây dẫn lõi cách điện. Khoảng cách giữa các cặp dây rất nhỏ, số lượng xoắn nhiều, và ứng suất xoắn trên tiết diện tập trung nghiêm trọng, dẫn đến biến dạng và hư hỏng nghiêm trọng lớp cách điện, cuối cùng gây ra sự biến dạng của trường điện từ, ảnh hưởng đến một số chỉ số điện như giá trị SRL và suy hao. Khi có hiện tượng lệch tâm lớp cách điện, khoảng cách giữa các dây dẫn thay đổi định kỳ do sự quay và xoay của đường dây đơn cách điện, dẫn đến sự dao động trở kháng định kỳ. Chu kỳ dao động tương đối dài. Trong truyền dẫn tần số cao, sự thay đổi chậm này có thể được phát hiện bằng sóng điện từ và ảnh hưởng đến giá trị suy hao phản xạ. Phiên bản cặp USB4 không thể sử dụng theo lô.
Không phải là nối đất, nhưng cũng không muốn sử dụng cáp đồng trục dễ hỏng, vì vậy người ta bắt đầu kiểm chứng các phương pháp chống nhiễu USB4 khác nhau để chế tạo sản phẩm. Nhược điểm lớn nhất của cáp đồng trục là dây dẫn dễ bị xoắn, và khác với cáp đồng trục song song, tránh làm đứt dây dẫn. Như chúng ta đã biết, hiện nay các loại cáp SAS, SFP+... được sử dụng trong đường truyền tốc độ cao, đủ để chứng minh hiệu suất của chúng phải cao hơn so với cáp đồng trục thông thường. Vai trò quan trọng của cáp dữ liệu tần số cao là truyền tín hiệu dữ liệu, nhưng khi sử dụng, xung quanh có thể xuất hiện đủ loại nhiễu thông tin. Hãy nghĩ xem nếu những tín hiệu nhiễu này xâm nhập vào dây dẫn bên trong của cáp dữ liệu và chồng lên tín hiệu được truyền ban đầu, liệu có thể gây nhiễu hoặc làm thay đổi tín hiệu được truyền ban đầu, dẫn đến mất tín hiệu hữu ích hoặc các sự cố khác không? Điểm khác biệt của lớp lá nhôm là nó truyền tải thông tin đến chúng ta với vai trò bảo vệ và che chắn, được sử dụng để giảm nhiễu tín hiệu độc lập bên ngoài trong quá trình truyền dẫn. Vật liệu chính của dây cáp và lớp lá nhôm được sử dụng là lá nhôm để niêm phong và che chắn, phủ một mặt hoặc hai mặt trên màng nhựa, ví dụ như lá composite được sử dụng làm lớp chắn cho cáp. Lá nhôm cáp yêu cầu ít dầu trên bề mặt, không có lỗ và có tính chất cơ học cao. Quá trình quấn cáp là gom hai dây lõi cách điện và dây nối đất lại với nhau bằng máy quấn. Đồng thời, một lớp lá nhôm và một lớp băng polyester tự dính ở lớp vỏ ngoài được sử dụng để che chắn cặp dây và ổn định cấu trúc của các dây lõi được quấn. Quá trình này có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính của dây dẫn, bao gồm trở kháng, độ trễ, suy hao, vì vậy việc sản xuất phải tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật, tiến hành kiểm tra tính chất điện để đảm bảo dây lõi được quấn phù hợp với yêu cầu. Tất nhiên, không phải tất cả các đường dây dữ liệu đều có hai lớp che chắn. Một số có nhiều lớp, một số chỉ có một lớp, hoặc không có lớp nào cả. Lớp chắn là một lớp kim loại ngăn cách giữa hai vùng không gian để kiểm soát sự cảm ứng và bức xạ của sóng điện, từ và điện từ từ vùng này sang vùng khác. Cụ thể hơn, lõi dẫn được bao quanh bởi một lớp chắn để ngăn chúng bị ảnh hưởng bởi trường điện từ/tín hiệu nhiễu bên ngoài, và để ngăn trường điện từ/tín hiệu nhiễu lan rộng ra ngoài. Việc kiểm tra tín hiệu tần số cao của cặp vi sai USB có thể so sánh với cáp đồng trục, cáp USB4 cặp vi sai sắp ra mắt.
Thời gian đăng bài: 16/08/2022
