USB 3.0规范中译本 第5章 机械结构

本文为CoryXie原创译文，转载及有任何问题请联系cory.xie#gmail.com。

本章定义USB 3.0连接器和线缆组件的form, fit 和 function。包括以下方面：

• 连接器配对接口（Connector mating interfaces）

• 线缆和线缆组件（Cables and cable assemblies）

• 电气要求（Electrical requirements）

• 机械和环境要求（Mechanical and environmental requirements）

• 实现注记和引导（Implementation notes and guidelines）

本章的目的是使得连接器，系统，和设备设计者以及制造商能够构建（build），评估（qualify）并使用USB 3.0的连接器，线缆和线缆组件。如果本章任何部分与USB 2.0规范冲突，USB 3.0规范总是取代（supersedes）USB 2.0规范。

5.1 目标【Objective】

机械层规范是在以下列目标的基础上开发的：

• 支持5 Gbps数据率（Supporting 5 Gbps data rate）

• 与USB 2.0后相兼容（Backward compatible with USB 2.0）

• 最小化连接器形状因数变化（Minimizing connector form factor variations）

• 管理EMI（Managing EMI）

• 支持OTG 【Supporting On-The-Go (OTG)】

• 低价格（Low cost）

5.2 重要特性【Significant Features】

本节标示出USB 3.0连接器和线缆组件规范的重要特性。本节的目的并不是要展示与每个主要特性的所有的技术细节，而是突出（highlight）它们的存在性。在合适的地方，本节引用本文档的其他部分，在那里可以找到相关细节。

5.2.1 连接器【Connectors】

USB 3.0 规范定义了下面的连接器：

• USB 3.0 Standard-A plug and receptacle (标准A插头和插口)

• USB 3.0 Standard-B plug and receptacle (标准B插头和插口)

• USB 3.0 Powered-B plug and receptacle (供电B插头和插口)

• USB 3.0 Micro-B plug and receptacle (微型B插头和插口)

• USB 3.0 Micro-A plug (微型A插头)

• USB 3.0 Micro-AB receptacle (微型AB插口)

表5-1列出了可兼容的插头和插口。

5.2.1.1 USB 3.0标准A连接器（Standard-A Connector）

USB 3.0标准A连接器（Standard-A connector）被定义为主机连接器，支持超高速（SuperSpeed）模式。它具有与USB 2.0标准A连接器相同的配对接口，但是还有附加的管教用于更多的差分对以及一个排扰线（drain）。参考第5.3.1.2节关于管脚的安排和描述。

USB 3.0标准A插口（Standard-A receptacle）可接受USB 3.0标准A插头或者USB 2.0标准A插头。类似地，USB 3.0插头可以与USB 3.0标准A插口或者USB 2.0标准A插口配对。

建议对USB 3.0标准A连接器的塑料壳（plastic housings）使用独特的色标（unique color coding）以帮助用户区别USB 3.0标准A连接器或者USB 2.0标准A连接器。

5.2.1.2 USB 3.0标准B连接器 （Standard-B Connector）

USB 3.0标准B连接器（Standard-B connector）定义用于相对较大，固定的外设，例如外置硬盘和打印机。它被定义成使USB 3.0标准B插口可以接受USB 3.0标准B插头或者USB 2.0标准B插头。将USB 3.0标准B插头插入USB 2.0标准B插口在物理上是不被允许的（参考第5.3.2节详情）。

5.2.1.3 USB 3.0供电B连接器（Powered-B Connector）

USB 3.0供电B连接器（Powered-B connector）被定义用于允许USB 3.0设备提供电源给USB适配器（USB adaptor ）而不需要外部电源供给。在外型上它与USB 3.0标准B连接器相同，但是还多两个管脚，一个用于电源(DPWR)，一个用于地（DGND）。参见第5.3.3节详情。

5.2.1.4 USB 3.0 微型B连接器（Micro-B Connector）

USB 3.0微型B连接器（Micro-B connector）被定义用于较小的设备。与USB 2.0微型B连接器相兼容；即，USB 2.0微型B插头可以在USB 3.0微型B插口上工作。第5.3.4节定义了USB 3.0微型连接器家族。

5.2.1.5 USB 3.0微型AB（Micro-AB）和微型A（Micro-A）连接器

除了不同的键标（keying）之外，USB 3.0微型AB插口（Micro-AB receptacle）与USB 3.0 微型B插口（Micro-B receptacle）类似。它可以接受USB 3.0微型A（Micro-A）插头，USB 3.0微型B（Micro-B）插头，USB 2.0微型A（Micro-A）插头，USB 2.0微型B（Micro-B）插头。USB 3.0微型AB插口只允许用在OTG产品中，可以要么作主机要么作设备。所有其他的USB 3.0微型AB插口的用途都是被禁止的。

除了不同的键标（keying）和ID管脚的连接之外，USB 3.0微型A（Micro-A）插头类似于USB 3.0微型B（Micro-B）插头。USB 3.0微型A（Micro-A）插头，USB 3.0微型AB插口以及USB 3.0 微型B插口和插头都从属于USB 3.0微型连接器家族，因为他们的接口只在键标（keying）方面不同。类似于USB 2.0微型A（Micro-A）插头，USB 3.0微型A（Micro-A）插头只定义用于OTG应用。

5.2.2 兼容的线缆组件【Compliant Cable Assemblies】

USB 3.0 规范定义了下面的线缆组件：

• USB 3.0 Standard-A plug to USB 3.0 Standard-B plug (标准A插头到标准B插头)

• USB 3.0 Standard-A plug to USB 3.0 Micro-B plug (标准A插头到微型B插头)

• USB 3.0 Standard-A plug to USB 3.0 Standard-A plug (标准A插头到标准A插头)

• USB 3.0 Micro-A plug to USB 3.0 Micro-B plug (微型A插头到微型B插头)

• USB 3.0 Micro-A plug to USB 3.0 Standard-B plug (微型A插头到标准B插头)

• Captive cable with USB 3.0 Standard-A plug (具有标准A插头的容性线缆)

• Permanently attached cable with USB 3.0 Micro-A plug（具有微型A插头的永久附着线缆）

• Permanently attached cable with USB 3.0 Powered-B plug（具有供电B插头的永久附着线缆）

容性线缆（captive cable）是一种线缆组件，一端具有标准A插头，另一端具有永久附着的或者厂商特定的连接器。
永久附着的线缆直接连线到设备上，并且不能从设备上取下。本规范不定义在设备端的厂商特定的连接器或者永久附着该如何达到。

为了电气兼容性目的，USB 3.0容性线缆（设备端永久附着的或者厂商特定的连接器）应该被考虑作为USB 3.0设备的一部分。

本规范没有允许其他任何类型的线缆组件。第5.5节提供了关于USB 3.0线缆组件的详细讨论。

5.2.3 原始线缆【Raw Cables】

由于EMI和信号完整性要求，USB 3.0线缆组件中用于超高速线的每个线缆差分对都必须被屏蔽；用于USB 2.0的非屏蔽双绞线【Unshielded Twisted Pair (UTP)】不允许用于超高速（SuperSpeed）。第5.4节定义了USB 3.0的线缆构造。

5.3 连接器配对接口【Connector Mating Interfaces】

本节定义连接器配对接口，包括连接器接口图示（drawings），管脚安排和描述。

5.3.1 USB 3.0标准A连接器【Standard-A Connector】

5.3.1.1 接口定义【Interface Definition】

图5-1到图5-4分别显示了USB 3.0标准A插口和插头接口尺寸（dimensions），以及USB 3.0标准A插口的参考大小（reference footprints）。注意，只有控制配对互操作性（mating interoperability）的尺寸被指定。所有的参考尺寸仅供参考，不是硬性要求。

尽管USB 3.0标准A连接器在外形因数（form factor）上与USB 2.0标准A连接器基本相同，它内部却具有重要的不同。下面是需要注意的关键特性和设计领域：

• 除了USB 2.0要求的VBUS, D-, D+, 以及GND管脚之外，USB 3.0标准A连接器还包含5个管脚—两个差分对（differential pairs）加一个地漏（GND_DRAIN）。这两个增加的差分对被用于超高速数据传输，支持双单工（dual simplex）超高速信号；增加的GND_DRAIN管脚用于排扰线（drain wire）终端（termination），管理信号完整性，以及EMI性能。

• 5个超高速管脚的接触区（contact areas）位于插口的前端，作为刀片（blades）；而4个USB 2.0管脚位于插口的后面，作为横梁（beams）或者弹簧（springs）。相应地，在插头上，超高速接触点作为横梁（beams），位于USB 2.0刀片（blades）的后面。也就是说，USB 3.0标准A连接器具有一个双层接触系统。

• 相比于USB 2.0标准A连接器，在USB 3.0标准A连接器的外形因数（form factor）中的分层接触方式（tiered-contact approach）必然（inevitably）导致更少的可工作接触区域。连接器接口尺寸（dimensions）需要将USB 3.0标准A插口与USB 3.0标准A插头，USB 3.0标准A插口与USB 2.0标准A插头，以及USB 2.0标准A插口与USB 3.0标准A插头之间的接触匹配要求（contact mating requirements）考虑在内。连接器设计者应该在设计细节方面仔细考虑这些方面。

• 连接器接口定义包含需要避免当将USB 2.0标准A插头插入USB 3.0标准A插口，或者将USB 3.0标准A插头插入USB 2.0标准A插口时在超高速和USB 2.0管脚之间形成短路（shorting）。连接器设计者在做详细设计时应该对此有清醒的认识（be conscious of this）。

• 相比USB 2.0标准A插口，为了支持双层接触（two-tiered-contacts），USB 3.0标准A插口可能连接器深度（进入系统板）方面有些增加。

• 图5-3和图5-4中的过孔大小（through-hole footprints）指示作为示例显示。其他的大小，例如SMT（表贴，surface mount）也是被允许的。

• 在本规范中没有显示堆栈式（stacked）USB 3.0标准A连接器插口的图纸。但是它们是被允许的，只要他们满足本规范定义的所有的电气和机械要求。实际上，双层堆栈式（double-stacked）USB 3.0标准A连接器插口被期望是一种常规应用，正如层堆栈式（double-stacked）USB 2.0标准A连接器插口在PC中被广泛使用一样。当设计堆栈式（stacked）USB 3.0标准A连接器插口时，由于其较长的电气长度（long electrical length），必须下功夫来最小化上层连接器（top connector）的阻抗不连续（impedance discontinuity）。图5-4显示了一个双层堆栈式（double-stacked）标准A插口连接器的示例或者参考大小。注意，管脚1-9相应于下面的端口（lower port），而管脚10-18相应于上面的端口（upper port）。第5.8.3节提供堆栈式（stacked）连接器的进一步讨论。

• 必须注意USB 3.0标准A连接器的高速电气设计（high speed electrical design）。除了最小化连接器阻抗不连续（impedance discontinuities）之外，在超高速信号对以及USB 2.0 D+/D-信号对之间的互扰（crosstalk）也应该被最小化。

 

5.3.1.2 管脚安排和描述【Pin Assignments and Description】

USB 3.0标准A连接器的9个管脚的用法和安排定义与表5-2中。

管脚在连接器中的物理位置被显示于图5-1到图5-4中。注意管脚1-4是指USB 2.0管脚，而管脚5-9是指超高速管脚。

5.3.1.3 USB 3.0标准A连接器色标【USB 3.0 Standard-A Connector Color Coding】

由于USB 2.0标准A连接器插口和USB 3.0标准A连接器插口可以同时存在（co-exist）于一个主机系统上，对USB 3.0标准A连接器（插口和插头）外壳（housings）建议使用色标（color coding），以帮助用户从USB 2.0标准A连接器作区分。

对USB 3.0标准A连接器（插口和插头）外壳（housings），蓝色（潘通国际色卡300C，Pantone 300C）是建议的颜色。当使用了建议的颜色时，连接器制造商和系统集成商应该保证蓝色插口的外壳对用户可见。图5-5显示了对USB 3.0标准A连接器的建议色标（color coding recommendation）。

5.3.2 USB 3.0标准B连接器【Standard-B Connector】

5.3.2.1 接口定义【Interface Definition】

图5-6到图5-8分别显示了USB 3.0标准B插口和插头接口尺寸（dimensions），以及参考大小（reference footprints）。

USB 3.0标准B插口有两部分：USB 2.0接口和超高速接口。USB 2.0接口包含管脚1到4，而超高速接口包括管脚5-9。

当USB 2.0标准B插头插入USB 3.0标准B插口时，只有USB 2.0部分被用到（engaged），从而链路不会获得超高速能力的优点。然而，由于USB 3.0超高速部分在USB 2.0标准B插头插入USB 3.0标准B插口时，可以看得见（visibly）不匹配（not mated），用户会得到视觉反馈（visual feedback），得知线缆插头与插口不匹配（not matched）。只有当USB 3.0标准B插头插入USB 3.0标准B插口时，接口完全看得见是都被用到的（interface completely visibly engaged）。

5.3.2.2管脚安排和描述【Pin Assignments and Description】

USB 3.0标准B连接器的9个管脚的用法和安排定义与表5-3中。

管脚在连接器中的物理位置被显示于图5-6到图5-8中。

5.3.3 USB 3.0供电的B连接器【Powered-B Connector】

5.3.3.1 接口定义【Interface Definition】

图5-9到图5-11分别显示了USB 3.0供电的B（Powered-B）插口和插头接口尺寸（dimensions），以及参考大小（reference footprints）。

5.3.3.2管脚安排和描述【Pin Assignments and Descriptions】

USB 3.0供电的B（Powered-B）连接器的9个管脚的用法和安排定义与表5-4中。

管脚在连接器中的物理位置被显示于图5-9到图5-11中。

5.3.4 USB 3.0微型连接器家族【Micro Connector Family】

5.3.4.1 接口定义【Interfaces Definition】

USB 3.0微型连接器家族包含USB 3.0微型B插口（USB 3.0 Micro-B receptacle），USB 3.0 微型AB插口(USB 3.0 Micro-AB receptacle)，USB 3.0 微型B插头(USB 3.0 Micro-B plug)，以及USB 3.0 微型A插头(USB 3.0 Micro-A plug)。注意，只有控制配对互操作性（mating interoperability）的尺寸被指定。

USB 3.0微型连接器家族具有下列特性：

• USB 3.0微型B连接器可以被认为是USB 2.0微型B接口和USB 3.0触头（contacts）的组合。USB 3.0微型B插口接受USB 2.0微型B插头，维持了后向兼容性。

• USB 3.0微型B连接器与USB 2.0微型B连接器维持了相同的连接器高度（connector height）和触头间隔（contact pitch）。

• USB 3.0微型B连接器使用了与USB 2.0微型B连接器相同的，经过证明的（proven）门闩设计（latch design）。

• USB 3.0微型AB插口与USB 3.0微型B插口一样，除了在连接器外框（connector shell outline）上的键标（keying）不同以外。

• USB 3.0微型A插头与USB 3.0微型B插头相似，但具有不同的键标（keying）和ID pin连接。第5.3.4.2节讨论ID pin连接。

• 对于USB 3.0微型连接器家族没有大小要求（no required footprint）。图5-14显示了参考微型B和微型AB连接器的大小。

5.3.4.2管脚安排和描述【Pin Assignments and Description】

USB 3.0微型连接器的9个管脚的用法和安排定义与表5-5和表5-6中。

 

管脚在连接器中的物理位置被显示于图5-12到图5-14中。

5.4 线缆构造和线排列【Cable Construction and Wire Assignments】

本节讨论USB 3.0的线缆，包括线缆构造（cable construction），线排列（wire assignments），以及线尺寸（wire gauges）。性能要求将在第5.6.1.1节指定。

【译注：Wire gauge is a measurement of how large a wire is, either in diameter or cross sectional area. This determines the amount of electric current a wire can safely carry, as well as its electrical resistance and weight per unit of length. Wire gauge is applicable to both electrical and non-electrical wires, being important to electrical wiring and to structural cable. 摘自Wikipedia。】

5.4.1 线缆构造【Cable Construction】

图5-15展示了USB 3.0线缆的横截面（cross-section）。有3组线：UTP信号对（UTP signal pair），屏蔽差分信号对（Shielded Differential Pair，SDP，twisted or twinax signal pairs），以及电源和地线（power and ground wires）。

UTP意图用于传输USB 2.0信号，而SDPs用于超高速信号；为了信号完整性和EMI性能（signal integrity and EMI performance），超高速差分对需要屏蔽（shield）。每个SDP都附与一个漏线（drain wire），最后（eventually）通过连接器中的GND_DRAIN管脚连接到系统地（system ground）。

要求一个金属编织网（metal braid）来包裹（enclose）USB 3.0线缆中的所有线。该编织网（braid）将被终端到插头的金属屏蔽（terminated to the plug metal shells），尽量接近360°，以包涵EMI（contain EMI）。

5.4.2 线安排【Wire Assignments】

表5-7定义了线编号（wire number），信号安排（signal assignments）以及线的颜色（colors of the wires）。

5.4.3 线尺寸和线缆直径【Wire Gauges and Cable Diameters】

规范选择不指定线尺寸（wire gauges）。表5-8列出典型的线尺寸（wire gauges）用于参考。大尺寸线缆（large gauge wire）引发的损失少（incurs less loss），但是以线缆的灵活度为代价。应该选择能够满足线缆组件电气要求（cable assembly electrical requirements）可能的最小线尺寸。为了最大化线缆灵活性，所有的线都要求是标准的并且线缆外径（cable outer diameter）应该尽可能最小化。典型的USB 3.0线缆外径可以在3mm到6mm的范围。

5.5 线缆组件【Cable Assemblies】

5.5.1 USB 3.0标准A到标准B线缆组件【Standard-A to Standard-B Cable Assembly】

图5-16显示USB 3.0标准A到USB 3.0标准B线缆组件（cable assembly）。

 

表5-9定义USB 3.0标准A到USB 3.0标准B线缆组件（cable assembly）的线连接（wire connections）。

5.5.2 USB 3.0标准A到标准A线缆组件【Standard-A to Standard-A Cable

Assembly】

USB 3.0标准A到标准A线缆组件被定义用于操作系统调试以及其他host-to-host连接的应用。表5-10显示了这样一条线缆组件的线连接（wire connections）。参考图5-16的USB 3.0标准A插头线缆外模尺寸（overmold dimensions，模具术语）。

5.5.3 USB 3.0标准A到微型B线缆组件 【Standard-A to Micro-B Cable Assembly】

图5-17显示一个USB 3.0标准A到USB 3.0微型B线缆组件的USB 3.0微型B插头外模尺寸（overmold dimensions）。USB 3.0标准A插头的外模尺寸（overmold dimensions）可以在图5-16中找到。

表5-11显示了USB 3.0标准A到USB 3.0微型B线缆组件的线连接（wire connections）。注意，USB 3.0微型B插头中的ID pin管脚不应该被连接，而是让其处于open情形。

5.5.4 USB 3.0微型A到微型B线缆组件 【Micro-A to Micro-B Cable Assembly】

图5-18显示一个USB 3.0微型A到USB 3.0微型B线缆组件的USB 3.0微型A插头外模尺寸（overmold dimensions）。USB 3.0微型B插头的外模尺寸（overmold dimensions）显示在图5-17中。

 

表5-12显示了USB 3.0微型A到USB 3.0微型B线缆组件的线连接（wire connections）。USB 3.0微型A插头中的ID管脚应该被连接到GND管脚。USB 3.0微型B插头中的ID管脚应该不连（no-connect），或者通过一个阻值大于Rb_PLUG_ID (1 MΩ minimum)的电阻而连接到地。通过判定ID管脚到地的阻抗（resistance to ground）小于Ra_PLUG_ID (10 Ω maximum)或者到地的阻抗大于Rb_PLUG_ID，OTG设备要求要能够检测出所插入的是USB 3.0微型A还是USB 3.0微型B插头。任何到地的阻抗（resistance to ground）小于Ra_PLUG_ID都应该被当做ID = FALSE对待，任何到地的阻抗（resistance to ground）大于Ra_PLUG_ID都应该被当做ID = TRUE对待。

5.5.5 USB 3.0微型A到标准B线缆组件 【Micro-A to Standard-B Cable Assembly】

USB 3.0微型A到标准B线缆组件也是被允许的。图5-18和图5-16分别显示了USB 3.0微型A和USB 3.0标准B线缆外径尺寸（overmold dimensions）。

表5-13显示了USB 3.0微型A到USB 3.0标准B线缆组件的线连接（wire connections）。

5.5.6 USB 3.0图标位置【Icon Location】

USB 3.0的线缆组件，兼容于USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Specification，应该显示图5-19中展示的USB 3.0图标。

USB 3.0图标浮饰（embossed）在USB 3.0插头一面的一个凹下去的区域（recessed area）。这提供了方便让用户容易识别，并且可帮助在配对过程中对齐。USB Icon和制造商logo不应该伸出到外模表面以外（project beyond the overmold surface）。USB 3.0兼容的线缆组件要求（required）在两端的插头上都有USB 3.0 Icons，而制造商logo是建议有的（recommended）。USB 3.0插口应该被定向（orientated）得可以允许插头上的图标在配对过程中可以被看见（visible during the mating process）。图5-20显示了一个典型的插头定向（plug orientation）。

5.5.7 线缆组件长度【Cable Assembly Length】

本规范不指定线缆组件的长度（cable assembly length）。USB 3.0线缆组件可以是任意长度，只要它满足在本规范中定义的所有要求。定义在第5.6.1.3.1节中的线缆组件损失裕量（cable assembly loss budget）和第11.4.2节中定义的线缆电压降裕量（cable voltage drop budget）将限制线缆组件的长度（cable assembly length）。

5.6 电气要求【Electrical Requirements】

本节覆盖USB 3.0原始线缆（raw cables），匹配连接器（mated connectors），以及匹配线缆组件（mated cable assemblies）的电气要求。USB 3.0信号，称作超高速（SuperSpeed），是由本规范管理的（governed）。USB 2.0信号由USB 2.0规范管理，除非特别指定。参考USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document关于特定的D+/D-线的电气要求。

对USB 3.0规范的兼容性是通过匹配连接器（mated connectors）以及匹配线缆组件（mated cable assemblies）的强制要求（normative requirements）而建立起来的。超高速要求（SuperSpeed requirements）主要是以S-参数（S-parameters）为依据指定的，使用工业测试规范（industry test specification），在必要时加以支持说明（supporting details）。DC要求（DC requirements），例如触点阻抗（contact resistance），以及载流能力（current carrying capability），也在本规范中指定。

任何关于线缆和连接器产品的参考性规范（informative specification），目的都是为了设计指导（design guidelines）和制造控制(manufacturing control)。

连同性能要求（performance requirements），对于提到的参数（parameter stated），还引述到所要求的测试方法（test method）。在第5.6.2节列出一组关于DC要求（DC requirements）的工业标准。更多是支持测试过程（supporting test procedures）可以在USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document中找到。

除非特别说明，本节的要求适用于所有的USB 3.0连接器和/或线缆组件。

5.6.1 超高速电气要求【SuperSpeed Electrical Requirements】

下面几节略述超高速（SuperSpeed）信号的要求。USB 2.0信号(D+/D-线)的要求在USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document中给出。

5.6.1.1 原始线缆【Raw Cable】

参考性（Informative）原始线缆电气性能目标（raw cable electrical performance targets）在这里提供以帮助线缆组件制造商管理原始线缆提供商。这些目标不是USB 3.0兼容性项目；最终的要求将会是第5.6.1.3节中指定的匹配线缆组件性能。

5.6.1.1.1 特性阻抗【Characteristic Impedance】

建议SDP对（SDP pairs）的差分特性阻抗（differential characteristic impedance）在90 Ω +/- 7 Ω。这应该使用一个TDR来测量，使用200 ps (10%-90%)的上升时间（rise time）的差分模式（differential mode）。

【译注：Time-domain reflectometry or TDR is a measurement technique used to determine the characteristics of electrical lines by observing reflected waveforms. Time-domain transmissometry (TDT) is an analogous technique that measures the transmitted (rather than reflected) impulse. Together, they provide a powerful means of analysing electrical or optical transmission media such as coaxial cables and optical fibers.

The TDR analysis begins with the propagation of a step or impulse of energy into a system and the subsequent observation of the energy reflected by the system. By analyzing the magnitude, duration and shape of the reflected waveform, the nature of the impedance variation in the transmission system can be determined.】

5.6.1.1.2 信号对间斜率【Intra-Pair Skew】

SDP对（SDP pairs）的信号对间斜率（intra-pair skew）建议应小于15 ps/m。这应该使用一个TDT来测量，使用200 ps (10%-90%)的上升时间（rise time），在输入电压50%处跨越（crossing）的差分模式（differential mode）。

5.6.1.1.3 差分插入损耗【Differential Insertion Loss】

线缆损耗依赖于线尺寸（wire gauges）和绝缘材料（dielectric materials）。表5-14列出SDP对（SDP pairs）的差分插入损耗的例子。注意，差分损耗值(differential loss values)参考于一个90 Ω的差分阻抗(differential impedance)。

 

5.6.1.2 匹配连接器【Mated Connector】

需要匹配连接器阻抗要求（mated connector impedance requirement）来维持信号完整性。如果从一个上升时间设为50 ps (20%-80%)的差分TDR看来【as seen from a 50 ps (20%-80%) risetime of a differential TDR】，匹配连接器的差分阻抗应该在90 Ω +/-15 Ω之内。图5-21阐明了匹配连接器的阻抗限制。匹配连接器的阻抗属性（impedance profile）必须落于图5-21显示的限制内。注意，匹配连接器的阻抗属性（impedance profile）定义为从插口脚跟部（receptacle footprints）到插头线缆终端区域（plug cable termination area）。如果插头是直接联接到（directly attached）设备PCB上的，则匹配连接器的阻抗属性（impedance profile）包括从插口脚跟部（receptacle footprints）到插头脚跟部（plug footprints）的路径。

5.6.1.3 匹配线缆组件【Mated Cable Assemblies】

匹配线缆组件（mated cable assembly）是指与安装在测试制具（test fixture）两端的相应插口相匹配的一条线缆组件（cable assembly）。要求是对于该匹配线缆组件（mated cable assembly）的整条信号路径，从主机插口触点焊盘（host receptacle contact solder pads）或者主机系统板上的过孔（through-holes on the host system board），到设备插口触点焊盘（device receptacle contact solder pads）或者设备系统板上的过孔（through-holes on the device system board），不包括PCB走线（PCB traces），如图5-22所示；测试时在TP1 (test point 1)和TP2 (test point 2)之间。

 

为了能正确测量（proper measurements），插口应该被安装在测试制具（test fixture）上。制具（test fixture）应该有从SMA或者微探针发端（microprobe launches）到参考平面（reference planes）或者测试点（test points）的非耦合访问走线（uncoupled access traces），最好（preferably）有50 Ω +/-7% Ω的单端特性阻抗（single-ended characteristic impedance）。制具（test fixture）应该有恰当的校准结构（calibration structures）来标定出（calibrate out）制具效应（fixturing effect）。所有的临近但未连接到测量端口（adjacent but not connected to measurement ports）的非地管脚（non-ground pins）都应该用50 Ω负载所终端（terminated）。为了与USB 3.0通道标准差分特性阻抗（channel nominal differential characteristic impedance）要求的90 Ω相一致，所有的被测量的差分S-参数（differential S-parameters）都应该被用一个90-Ω的参考差分阻抗所规范化（normalized）。大多数VNA测量软件都允许将测量的S-参数用不同的参考阻抗来规范化（normalization）。例如，在PLTS中，可以将端口阻抗（port impedance）设置为45 Ω来将测量到的50-Ω单端S-参数规范化（normalize）到45 Ω。这将在单端到差分转换（singled-ended-to-differential）之后导致90-Ω的差分S-参数（differential S-parameters）。在USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document中，定义了一个参考USB 3.0匹配线缆组件测试制具（mated cable assembly test fixture），其中还给出了详细的测试过程。

5.6.1.3.1 差分插入损耗【Differential Insertion Loss (EIA-360-101)】

差分插入损耗（differential insertion loss），SDD12，测试通过匹配线缆组件（mated cable assembly）所传输的差分信号能量（differential signal energy）。图5-23显示了差分插入损耗极限（differential insertion loss limit），它已经被使用90-Ω的差分阻抗（differential impedance）所规范化过（normalized），并由下列顶点（vertices）所定义：(100 MHz, -1.5 dB), (1.25 GHz, -5.0 dB), (2.5 GHz, -7.5 dB), 以及 (7.5 GHz, -25 dB)。测量到的匹配线缆组件（mated cable assembly）的差分插入损耗（differential insertion loss）必须不能超过差分插入损耗极限（differential insertion loss limit）。

5.6.1.3.2 超高速信号对间的差分近端串扰【Differential Near-End Crosstalk Between SuperSpeed Pairs (EIA-360-90)】

差分互扰（differential crosstalk）测量在差分信号对（differential pairs）之间不想要的耦合（unwanted coupling）。对于超高速而言，由于Tx信号对紧邻（right next to）Rx信号对，只指定了差分近端串扰【differential near-end crosstalk (DDNEXT)】，显示在图5-24中，参考与一个90-Ω的差分阻抗（differential impedance）。如果其DDENXT不超过图5-24中显示的极限，则匹配线缆组件（mated cable assembly）满足DDNEXT的要求。定义了DDNEXT极限的顶点是：

(100 MHz, -27 dB), (2.5 GHz,-27 dB), (3 GHz,-23 dB) 以及 (7.5GHz, -23 dB)。

5.6.1.3.3 超高速信号对和D+/D-之间的差分串扰 【Differential Crosstalk Between D+/D- and SuperSpeed Pairs (EIA-360-90)】

在D+/D-信号对和超高速信号对(SSTX+/SSTX- 或 SSRX+/SSRX-)之间的差分近端和远端串扰（differential near-end and far-end crosstalk）应该被管理得不超过图5-25所显示的极限；定义DDNEXT和DDFEXT极限的顶点是：

(100 MHz, -21 dB), (2.5 GHz,-21 dB), (3.0 GHz,-15 dB) 以及 (7.5 GHz, -15 dB)。参考差分阻抗（differential impedance）应该是90 Ω。

5.6.1.3.4 差分到共模的转换【Differential-to-Common-Mode Conversion】

由于共模电流（common mode current）对EMI负有直接责任，限制差分到共模的转换(differential-to-common-

mode conversion)，SCD12，就可以显示在立交桥和线缆组件中生成的EMI。图5-26说明了SCD12要求；如果在图5-26中显示的频率范围内SCD12小于或等于-20 dB，则匹配线路组件（mated cable assembly）通过了SCD12的要求。

5.6.2 直流电气要求【DC Electrical Requirements】

5.6.2.1 低层次接触电阻【Low Level Contact Resistance (EIA 364-23B)】

下面的要求适用于电源和信号触点（both the power and signal contacts）：

• 对VBUS and GND 触点，最初30 mΩ (Max) 【30 mΩ (Max)initial for VBUS and GND contacts.】

• 对所有其他触点，最初50 mΩ (Max) 【50 mΩ (Max) initial for all other contacts.】

• 在环境压力后，最大改变（delta差异）+10 mΩ【Maximum change (delta) of +10 mΩ after environmental stresses.】

• 在20 mV (Max) 开路100 mA下测量【Measure at 20 mV (Max) open circuit at 100 mA.】

• 参考第节关于环境要求和测试序列【Refer to Section 5.7.2 for environmental requirements and test sequences.】

5.6.2.2 绝缘强度【Dielectric Strength (EIA 364-20)】

当在匹配和不匹配立交桥的邻近的触点之间（between adjacent contacts of unmated and mated connectors）应用100 Volts AC (RMS)时，不应该发生击穿（breakdown）。

5.6.2.3 隔离电阻【Insulation Resistance (EIA 364-21)】

在匹配和不匹配立交桥的邻近的触点之间（between adjacent contacts of unmated and mated connectors）至少需要100 MΩ隔离电阻。

5.6.2.4 触点电流等级【Contact Current Rating (EIA 364-70, Method 2)】

应该在VBUS管脚和相应的GND管脚之间（USB 3.0 Standard-A和Standard-B/Powered-B连接器的管脚1和管脚4；USB 3.0微型连接器家族的管脚1和管脚5）应用1.8 A的电流。此外，对其他所有触点应该应用最小0.25 A电流。当应用电流到这些触点之后，在环境温度为25 °C时测量，在受测的USB 3.0连接器上的任何一点上，改变温度（delta temperature）不应该超过+30 °C。

对于USB 3.0 Powered-B连接器的情形，应该在其DPWR和相应的DGND管脚之间（USB 3.0 Powered-B连接器的管脚10和管脚11）应用2.0 A电流。此外，对其他所有触点应该应用最小0.25 A电流。当应用电流到这些触点之后，在环境温度为25 °C时测量，在受测的USB 3.0连接器上的任何一点上，改变温度（delta temperature）不应该超过+30 °C。

5.7 机械和环境要求【Mechanical and Environmental Requirements】

除非特别指定，本节的要求适用于所有USB 3.0连接器和/或线路组件（cable assemblies）。

5.7.1 机械要求【Mechanical Requirements】

5.7.1.1 插入力【Insertion Force (EIA 364-13)】

在最大每分钟12.5 mm (0.492")时【maximum rate of 12.5 mm (0.492") per minute】，接器插入力（insertion force）不应该超过35 N。

建议在门闩机制（latching mechanism）上使用非硅（non-silicon）润滑剂（lubricant）来减小磨损（reduce wear）。如果使用的话，润滑剂（lubricant）不能影响系统的任何其他特性。

5.7.1.2 拔出力【Extraction Force (EIA 364-13)】

在最大每分钟12.5 mm (0.492")时【maximum rate of 12.5 mm (0.492") per minute】，连接器的拔出力（extraction force）最初不能超过10 N，在指定的插入/拔出或忍耐周期之后不能超过8 N。在锁闭门闩上面不允许有芒刺和尖锐边缘
（钩挂表面从而磨损插口屏蔽）。【No burs or sharp edges are allowed on top of locking latches (hook surfaces which will rub against the receptacle shield).】

建议在门闩机制（latching mechanism）上使用非硅（non-silicon）润滑剂（lubricant）来减小磨损（reduce wear）。如果使用的话，润滑剂（lubricant）不能影响系统的任何其他特性。

5.7.1.3 耐久性和插入/拔出周期【Durability or Insertion/Extraction Cycles (EIA 364-09)】

表5-15指定了USB 3.0连接器的耐久性等级（durability ratings）。

耐久性测试应该在最大每小时200次时完成，并且不能对连接器和线缆组件（cable assembly）的任何部分有损伤。

5.7.1.4 线缆可绕性【Cable Flexing (EIA 364-41, Condition I)】

在Dimension X = 3.7倍于线缆直径，且在两个平面中每个100次的可绕性（flexing）测试下，对线缆组件（cable assembly）不能有物理损伤或者超过1ms的不连续（discontinuity）。【No physical damage or discontinuity over 1 ms during flexing shall occur to the cable assembly with Dimension X = 3.7 times the cable diameter and 100 cycles in each of two planes.】

5.7.1.5 抽拉线缆【Cable Pull-Out (EIA 364-38, Condition A)】

当夹住线缆插头的一端从而使其遭受40 N轴向负载长至少1分钟时，对线缆组件（cable assembly）不能有物理损伤。【No physical damage to the cable assembly shall occur when it is subjected to a 40 N axial load for a minimum of 1 minute while clamping one end of the cable plug.】

5.7.1.6 剥落强度【Peel Strength (USB 3.0 Micro Connector Family Only)】

当从垂直方向用至少150 N的力，从PCB向上拉扯焊接好的插口时，对焊接好的插口不能有可见的物理损伤。【No visible physical damage shall be noticed to a soldered receptacle when it is pulled up from the PCB in the vertical direction with a minimum force of 150 N.】

5.7.1.7 4轴连续性测试【4-Axes Continuity Test (USB 3.0 Micro Connector Family Only)】

USB 3.0微型连接器家族应该使用下面显示的测试配置（test configurations）来测试压力下的连续性（continuity under stress）。插头应该被提供于具有代表性的外模的线路组件（cable assembly）。应该在2层的厚度在0.8 mm到1.0 mm之间的PCB上安装USB 3.0微型B和微型AB插口。应该在离焊料尾端（solder tails）不远于5 mm处夹住（clamped）PCB上的插口的一面【The PCB shall be clamped on either side of the receptacle no further than 5 mm away from the solder tails.】。PCB最先应该被放置于一个水平面（horizontal plane），在向下的方向上对线缆应用一个8-N的拉伸力（tensile force），垂直于插入操作的轴线（perpendicular to the axis of insertion），持续时间至少10秒。

在应用拉伸力的过程中（throughout the application of the tensile force），每个接触点的连续性都应该被测量到（continuity across each contact shall be measured）。PCB应该接着被旋转90度，这样线缆仍然是水平插入的，而拉伸力则再次在向下的方向上被应用，继续如前述做连续性测量。该测试将对180度和270度旋转做重复。通过测试的原件在这4个方向上都不应该显示出任何超过1 μs的不连续性。

一种测量通过接触点连续性(measuring the continuity through the contacts)的方法是，将线缆尾巴上的线都短接起来，并通过一个上拉电阻对每个VBUS, D+, D-, ID，以及超高速管脚应用一个电压，但将GND管脚接地。

当测试USB 3.0微型A插头时，在测试期间所有的感测电阻（sense resistors）都应该保持在被下拉状态。当测试USB 3.0微型B插头时，在测试期间ID管脚应该保持高，而所有其他管脚应该保持低。允许使用其他方法（Alternate methods）来验证通过所有管脚的连续性（verify continuity through all pins）。

4轴连续性测试（4-axes continuity tests）应该用一个USB 3.0微型B/A插头插到一个USB 3.0微型B/AB插口内做测试，还要用一个USB 2.0微型B/A插头插到一个USB 3.0微型B/AB插口内做测试，如果5-27所示。

5.7.1.8 扳扭强度【Wrenching Strength (Reference, USB 3.0 Micro Connector Family Only)】

扳扭强度测试应该使用未经使用的原件（virgin parts）来执行。当从离插口边缘距离(L)为15 mm处插入插头时（when inserted at a distance (L) of 15 mm from the edge of the receptacle），对其应用垂直作用力【Perpendicular forces (Fp)】。测试条件和方法应该被所有当事人（all parties）同意。这些作用力应该在所有4个方向（左，右，上，下）都应用。兼容的连接器应该满足下列作用力范围（force thresholds）：

• 当应用0-25 N的作用力时，不能损坏插头或者插口。【No plug or receptacle damage shall occur when a force of 0-25 N is applied.】

• 当应用25-50 N的作用力时，插头可以损坏，但是只能以插口不能支撑该损坏的方式。【The plug may be damaged, but only in such a way that the receptacle does not sustain damage when a force of 25-50 N is applied.】

5.7.1.9 引脚共面性【Lead Co-Planarity】

所有的SMT引脚（leads）的共面性（Co-planarity）应该在0.08 mm范围内。

5.7.1.10 可焊接性【Solderability】

当在255 °C +/-5 °C焊接（soldered）且浸入周期（immersion duration）为5s时，焊锡应该覆盖被浸入的表面至少95%。

【Solder shall cover a minimum of 95% of the surface being immersed, when soldered at a temperature 255 °C +/-5 °C for an immersion duration of 5 s.】

5.7.1.11 危险物质限制兼容性【Restriction of Hazardous Substances (RoHS) Compliance】

建议元件要RoHS兼容。无铅插头和插口材料应该遵循RoHS的Directive 2002/95/EC of January 27, 2003或者其它管理性指令。

5.7.2 环境要求【Environmental Requirements】

连接器的环境测试应该遵循EIA-364-1000.01, Environmental Test Methodology for Assessing the Performance of Electrical Connectors and Sockets Used in Business Office Applications。

由于定义的连接器的擦长度（wipe length）远远大于0.127 mm，EIA-364-1000.01的Test Group 6就不需要了。温温度生命测试持续时间（temperature life test duration）和混合流动气体测试持续时间（mixed flowing gas test duration）的值是根据下列的现场（field temperature）温度从EIA 364-1000.01衍生得到的。

低层接触电阻【low level contact resistance (LLCR)】的通过/失败情形（pass/fail criterion）在第5.6.2.1节中定义。忍耐性级别（durability ratings）在第5.7.1.3节定义。

5.7.3 材料【Materials】

本规范并不指定用于连接器和线缆的材料。连接器和线缆制造商应该基于性能要求选择恰当的材料。表5-17只供参考。

5.8 实现注意和设计导引【Implementation Notes and Design Guides】

本节讨论一些实现注意和设计导引，以帮助用户设计和使用USB 3.0连接器和线缆。

5.8.1 匹配连接器尺寸【Mated Connector Dimensions】

图5-28，图5-29，以及图5-30分别显示了USB 3.0标准A，USB 3.0标准B，以及USB 3.0微型连接器的匹配插头和插口（mated plugs and receptacles）。系统设计师应该观察在插口前端表面（receptacle front surface）和线缆外模（cable overmold）之间的距离，防止系统包装（system enclosure）和线缆插头外模（cable plug overmold）之间的冲突（interference）。对连接器和底盘应该有预备（Provisions）将连接器金属外壳和金属底盘接地以包涵EMI放射。

【Provisions shall be made in connectors and chassis to ground the connector metal shells to the metal chassis to contain EMI emission.】

5.8.2 EMI管理【EMI Management】

包涵USB 3.0连接器和线缆组件（connectors and cable assemblies）的系统必须满足相关的EMI/EMC管控。由于EMI的复杂本性（complex nature），对线缆组件（cable assemblies）很难指定一个元件级别的EMI测试。但是，连接器和线缆组件设计师（connectors and cable assembly designers），以及系统实现者应该注意插口和线缆插头的屏蔽以确保低阻抗接地路径（low impedance grounding path）。下面是EMI管理的导引：

• 原始线缆的质量应该得到保证。超高速信号对的信号对间斜率（intra-pair skew）或差分到共模转换（differential to common mode conversion）对于线缆EMI性能（EMI performance）具有极大影响（significant impact），因此被控制在本规范的极限内。

• 线缆外部编织网（cable external braid）应该被终端到线缆插头金属壳（terminated to the cable plug metal shell），尽量接近360°。没有恰当的终端（shielding termination），即使是一条完美的零信号对间斜率（zero intra-pair skew）的线缆也不能满足EMI要求。

• 如果没有正确进行，线终端（wire termination）将对差分到共模转换（differential to common mode conversion）做出贡献（contributes）。为了EMI和信号完整性，线终端（wire termination）的突破距离（breakout distance）应该越小越好。如果可能的话，应该在差分对的两条线之间维持对称（symmetry）。

• 在插口和线缆插头之间的匹配接口应该具有足够多的接地金手指（grounding fingers），或者弹簧（springs），以提供一个从线缆插头到系统地（cable plug to system ground）的连续的返回路径（continuous return path）。摩擦锁（Friction locks）不应该危害（compromise）地返回连接（ground return connections）。【Friction locks should not compromise ground return connections.】

• 插口连接器（receptacle connectors）应该设计有一个后屏蔽（back-shield）作为插口连接器金属外壳。该后屏蔽（back-shield）应该被设计的具有到系统地平面（system ground plane）的较短的返回路径（short return path）。

• 插口连接器（receptacle connectors）应该被通过接地金手指（grounding fingers），螺丝钉（screws），或者任何其他方式连接到金属底盘或者外包装，以减轻（mitigate）EMI。

5.8.3 堆栈式连接器【Stacked Connectors】

堆栈式USB连接器通常在PC系统中使用。本规范不明确定义堆栈式USB 3.0标准A插口，但是他们是被允许的。下面是一些在设计堆栈式USB 3.0连接器时应该考虑到的点：

• 堆栈式连接器在连接器的上层和下层之间引入了附加的串扰。在设计堆栈式USB 3.0连接器时这样的串扰应该被最小化。上层和下层连接器的差分对之间的差分NEXT和FEXT应该被管理在~-32 dB之内（上达最基本的2.5 GHz频率）。

• 由于附加的电气长度，上面的连接器通常都不会像下层连接器表现的一样好。连接器设计师应该仔细设计上层连接器接触点几何结构(contact geometries)和材料，以最小化阻抗不连续性（impedance discontinuity）。不论选择设计在堆栈式连接器中有多少连接器，第5.6节定义的电气要求必须满足。