你以为你了解的USB就是你了解的USB吗？

USB——通用串行总线

通用：适用于所有场合、所有人

串型：相对于并行总线，额外数据会加入数据流中

总线：一堆电线

USB已经存在了很长一段时间，被广泛认为是闪存或优盘的连接形式，相信大家手边都有。如果来参加我们Cadence的展会，我们还会送你几个呢。我们的手机可能也配置了微型USB，或是更微型的USB-C型连接器。

这个小玩意儿的奇妙之处在于能够处理多个任务。它既是一个充电端口，又是一个数据端口，更是一个显示端口。我们即使把它装反了也没有关系，它并不像其他处理器那样存在极化（早期的USB会出问题）。

在USB-C流行之前，我刚好在研究USB-C协议。 当时，Google是其规范开发联盟的成员。2015年初，我尝试在电线和插头之间创建一小块电路并把它藏在充电器中。电路板连接器则紧随其后。

大多数人只对位于PCB上的那一半连接器对感兴趣。如果你没有在设计中使用过C型连接器，那么对以下的情况你可能会感到惊讶：首先，它远比传统USB端口复杂。

图片来源：Diodes.com

即使是最先进的PCB制造商也会为制造它而烦恼。也许有例外情况，但我从未找到一个供应商可以顺利地用一个封装完成所有要求。我们大多数人每天都需要为手机、平板或电脑充电，这造成了对连接器的频繁使用和拖拽。我的电脑虽然配置了四个USB-C连接器端口，但总有一天它们都会被损坏。

图片来源：Geek.com等多处来源

基于这个原因，连接器供应商通常会指定一个非常受限的几何图形封装，并倾向于在非电镀孔和非电镀槽上的位置和尺寸容差是非常紧凑的。这是在第一次钻孔和布线之后进行的第二次钻孔，用于电镀孔和电镀槽。用于连接器主体的电镀槽通常会被推到电路板的边缘。表面贴装焊盘则正对着非电镀孔。如果我们担心整个器件的Z高度，我们将不得不使用安装在PC板插槽中的中置连接器。这个小装置可为一排引线添加通孔，同时可保留一排表面贴装焊盘。这样我们就有了非电镀孔和非电镀槽以及槽中的电镀孔，它们的位置非常邻近。

图片来源：Witarea（中置）和China Connector（SMD）的产品手册

当我们有一个定位孔时，金属回拉总是比电镀孔的回拉严重。这部分的工艺流程是钻孔、电镀、再钻孔。 经过这些步骤之后，再将电路板放入用于非电镀孔的夹具中。这一过程可能不是同一个操作员经手、或者使用工厂内的同一台机器，因此自然可能导致变化，这就是非电镀孔周围留有较大禁用区的原因。按照供应商的保守封装，制造商很可能会给我们提出如下可制造性（DFM：design-for-manufacturability）要求：

制造商1分钟前

再增加个非电镀孔/槽的容差吧？

制造商1分钟前

对了，电路板的边缘剪掉电镀槽的焊盘好伐？

制造商1分钟前

SMD焊盘也从非电镀孔中修剪掉行不啦？

制造商1分钟前

移动或删除这些插槽行不行哇？

相信我，即使是拥有业内顶尖技术的制造商也会提出这些问题。即使是能够可靠地刻蚀40微米走线和空间的制造商，也难以应对USB-C连接器的封装挑战。

去年，我在DesignCon参观了几家连接器供应商：安费诺（Amphenol）、***嘉泽（Lotes）、三达（Samtek）、泰科电子（TE）等。在Lotes展台，他们有一个直径约8英寸的圆形板并装有不同版本的USB-C连接器。我半开玩笑地和Lotes代表说应该将产品手册带给展会现场的每个PCB制造商，并要求他们对各自推荐的封装进行DFM研究。可见， 这是一个巨大的挑战。

四年以来，我们已经代表制造商和我们的利润潜力与连接器供应商进行了商谈。带有电镀槽和引脚从边缘拉入设计的新产品不断进入市场。我们可以通过标准钻孔操作进行扇出，我们可以找到远离连接引脚的非电镀槽/孔对。这有助于制造商提供另一种布线优势。接下来的内容解释了这么做的重要性。

产品有足够的柔性吗？

容差在柔性电路中更难实现，因此当我们在六层柔性电路上放置C型连接器时，会出现后座力。由于超高速差分对的隔离和笔记本电脑的电源要求，这不是一个非常灵活的柔性设计。事实上，由于特殊的零插入力（ZIF）柔性连接器在边缘连接器上没有足够的握力，我设计的设备并不能通过混凝土测试中的三英尺跌落测试。因此，我们的物理设计师迅速制作了一个从一侧悬臂伸出的小支架， 而我则清除了走线。

不出所料，柔性电路的供应商在严格的限制条件下畏缩不前，并希望降低参数要求和为焊接掩模开口。在这一点上，我们的物理设计师回应很赞。他告诉供应商他们正在进行制造和装配（通常是柔性装置），并且他们将自己负责所有与此项目相关的故障。据我猜测，这种承担责任的做法使得连接器供应商想要一个完美的初始封装。如果不遵守他们的设计标准，他们就不会负责这个问题。

当元件供应商的要求超过晶圆厂或装配供应商的能力时，我们应该采取什么行动呢？答案很简单：把他们聚集起来，商量折中的办法。

图：USB Type-C，顶部安装

深入了解布线问题

现在我们有一个可以由至少一家公司生产的USB-C连接器封装了。我们可以将所有ESD保护二极管放在连接器上以保护其他精密设备。布线时我们会注意到在连接器中间有一对差分走线，它们无论经过SMD还是通孔都从后排连接到前排。这四个引脚代表传统的USB 2.0接口。 请记住，由于没有极性差异，配对连接器必须正面朝上或反之才能工作。我们得到的是一个非常短的差分对，它在引出ESD抑制电路之前穿过P极和N极。

我们通常可以通过过孔进入电路板而不跨越差分对，然后沿着我们进入的方向在另一层开始布线而不是在线性路径中。但是这种技巧在该类型的连接器周围的有限空间内非常难以实现。我们不妨来用一个模拟设计中的老办法。PCB上打印的标准耦合器由四个端口组成，这些端口代表模拟设计中的输入、输出、终止信号和耦合信号。输入端口是终止端口的直接DC连接，而终止端口则连接到另一个引脚上的接地电阻。两条线路的长度以及它们之间的间隙将确定耦合量，3 dB、10 dB和20 dB比较常见。由于该线路与另一条线路并排布线，耦合端口和输出端口均获得电能。

另一方面，正交混合耦合器在相邻层上运行两条线，终止端口在相对侧而不是在与输入相同的一侧终止，形成了X形状，而交叉则被拉长以实现耦合。

回到USB-C型连接器。由于可能位于不同层上，我们将两条线从中心引脚或通孔中拉出，并创建一个宽边耦合对而不是边缘耦合对以便跨越。我认为这是该布线计划的最佳解决方案。在这种情况下，我使用了第8层和第9层以及微通孔焊盘。请注意，我切换了宽边耦合线连到ESD二极管。

部分截图：USB 2.0

我们希望最小化长度，因为你可以根据插入配对连接器的方式接合内侧或外侧的焊盘。我们依赖于存根。 而信号方面，这是电路的向后兼容部分，所以设计来讲没有问题。

我们已经完成了四个引脚，还有20个。接下来的四个是很有挑战性的电源引脚。VBUS或VBAT是其通用名称。以蓝色显示在下方的TI图中。我们可以通过这两个过孔拉过来3安培。每对引脚上的三个过孔将是我们的优先选择。由于在受限制的区域，通孔解决方案看起来并不会简单整齐。

图片来源：TI

在USB2.0部分和电源引脚之间，我们有四个管家信号。虽然它们看起来是关联的，但它们在布线上并不是成对的。我记得被要求过增加其中一些的宽度。

另外四个差分对位于电源引脚和外侧接地引脚之间。差异对有一些区域可能会被挤压，但布线是走直的。 我们会注意到设备和连接器之间的其他P极和N极的纠缠。平常的设计技巧即可以根据需要实现位的翻转。这些位的网络名称中可能包含字母SS。就良好的阻抗实践而言，超高速布线需要我们最大程度的关注。 最后，我想强调：USB-C型连接器对于制造厂而言是一个充满挑战的难题。但是优势在于它是电源和数据的一体化解决方案。只要我们还处在每秒10 Gb速度的时代里，我们就要学习如何应对。