USB3.0的静噪对策

前言
        现在，USB接口可以称得上是电脑的各种通用外部接口中最为成功的。可以对应众多外部设备，无需打开机箱便能扩展功能，让初学者也可以简单上手。因此，从TV turner到外部驱动，USB被应用于各种各样的用途。
        然而，SSD(Solid State Drive)等高速设备的出现，使USB2.0最高480Mbps的传输速度变得稍显不足，为此就需要既能体现USB的便利性，又具备更快速的数据传输新接口技术。在这样的状况下，最高速度扩大到5Gbps的USB3.0 SuperSpeed已完成了标准的制定，对应产品也即将出现。现阶段应用于USB2.0静噪的共模扼流线圈，对USB3.0 SuperSpeed是否同样有效还不得而知。本文就来验证一下USB3.0 SuperSpeed使用以前的共模扼流线圈时出现的问题，并介绍能够应用于USB3.0 SuperSpeed的新共模扼流线圈产品。
USB3.0 SuperSpeed信号线
        从USB1.1发展到USB2.0，是在相同电气规格的信号线上进行扩充。与此不同的是，USB3.0 SuperSpeed则是另外追加了2对差分信号线。因此，基本不需要考虑对以前的USB2.0信号的影响，仅考虑新增加的USB3.0信号线即可。

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图1：USB3.0信号线的结构

USB3.0 SuperSpeed的静噪对策

        在USB2.0的静噪对策的实例中，大多是在地线与电源线中插入铁氧体磁珠，在信号线则插入共模扼流线圈。由于电气规格与原来相同，对于USB3.0中包含的USB2.0部分只需使用同样的静噪对策即可 (但须注意，用于电源供电从原先的500mA增加到了900mA，因此需要注意使用于电源线和地线等元件的直流电阻导致的电压降低等问题)。问题在于USB3.0中追加的2对差分信号线。由于通过的信号速度是以前的10倍，若使用以前开发的用于USB2.0的共模扼流线圈的话信号波形质量就很有可能出现问题。在此，我们将通过了USB2.0兼容性实验的共模扼流线圈，用在USB3.0 SuperSpeed的信号线上，并实际确认了信号波形的变化。
        图2是通过了USB2.0兼容性实验的小型共模扼流线圈DLW21HN900SQ2。如图3所示，使用在USB2.0信号线时并未对信号波形带来不良影响。然而，如图4所示，USB3.0 SuperSpeed(5Gbps)的信号通过时，信号波形产生混乱，眼图模板的边缘几乎都丢失了。由此可见，USB3.0 SuperSpeed的信号速度快，因此若要通过更高频的信号成分，就需要使用截止频率更高的共模扼流线圈。

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图2：USB2.0使用到的普通用共模扼流线圈（DLW21HN900SQ2）

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图3：将过去的产品用于USB2.0时产生的波形

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图4：将过去的产品用于USB3.0 SuperSpeed时产生的波形

考虑到这些的情况，村田制作所开发出了对应USB3.0 SuperSpeed的小型共模扼流线圈DLP11TB800UL2，尺寸为1.25×1.0mm。为了不受USB3.0 SuperSpeed的高速信号带来不良影响，此产品设定了非常高的差分截止频率。将2.5GHz的特性阻抗调整为USB规格的90Ω，同时可以抑制信号反射造成的损失。

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图5：针对SuperSpeed的共模扼流线圈DLP11TB800UL2（开发中）

如前文所述，在USB3.0信号线中使用此产品的话，如图6所示，可以看到与未使用了滤波器的情况相比，眼图模板的边缘几乎没有变化。另外，在使用此产品的情况下测定了USB3.0 SuperSpeed对应电缆的噪音的变化，发现在30MHz～10GHz的全频带上都有较好的噪音抑制效果 (图7)。特别是700MHz～2GHz到5GHz上表现出了良好的静噪效果。

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图6：USB SuperSpeed走线(3m)通过后的信号波形（校正前）

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图7：共模扼流线圈的静噪效果

通过实验提高Jitter Tolerance余量
        对USB3.0进行了抗抖动性评测的Jitter Tolerance实验。用于USB线静噪对策的共模扼流线圈具有改善偏移的效果，因此对改善Jitter Tolerance实验的偏移效果也值得期待。Jitter Tolerance实验，是在信号中掺入抖动，测试当掺杂了多少抖动后将无法接收信号，但因为USB的实验没有校正测量的偏差，若将抖动混入测定系等则会降低抗抖动性。对此，若在信号线中加入共模扼流线圈，可以发挥变压器的作用，改善偏移。利用这点，就能挽回由于偏移造成的抗抖动性低下。图8是验证了Jitter Tolerance实验结果的共模扼流线圈的效果实例。图表中，在每个抖动频率，标出了刚好能满足规定的Bit Error Rate的抖动量。图表越是上方，抗抖动性越强。(虚线是兼容性实验的暂定规格值)从这个例子中可以看出，使用共模扼流线圈之后，抗抖动性在几十MHz～100MHz范围内得到了提高。

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图8：Jitter Tolerance评测

总结
        综上所述，USB3.0 SuperSpeed和以前的USB2.0一样通过使用共模扼流线圈来静噪。但由于信号频率大幅提高，需要使用大幅改善了差分截断频率的共模扼流线圈。再者，虽然是从属功能，但共模扼流线圈也有提高在USB3.0 SuperSpeed的Jitter Tolerance实验中抗抖动能力。DLP11TB800UL2是开发应用于USB3.0 SuperSpeed，用来维持信号波形的同时能静噪的全新的小型共模扼流线圈。今后，村田将继续验证其在各种新设备中的使用对策，开发新的使用方法，为客户提供新的产品。