Universal Serial Bus (USB) อาจเป็นหนึ่งในอินเทอร์เฟซที่ใช้งานได้หลากหลายที่สุดในโลก เดิมทีคิดค้นโดย Intel และ Microsoft และมีคุณสมบัติเด่นคือการเสียบและใช้งานได้ทันที (Hot-plug and play) นับตั้งแต่การเปิดตัวอินเทอร์เฟซ USB ในปี 1994 หลังจากการพัฒนามา 26 ปี ผ่าน USB 1.0/1.1, USB 2.0, USB 3.x จนกระทั่งพัฒนามาเป็น USB 4 ในปัจจุบัน อัตราการส่งข้อมูลก็เพิ่มขึ้นจาก 1.5 Mbps เป็น 40 Gbps ในรุ่นล่าสุด ปัจจุบัน ไม่เพียงแต่สมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ๆ เท่านั้นที่รองรับอินเทอร์เฟซ Type-C แต่คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก กล้องดิจิทัล ลำโพงอัจฉริยะ พาวเวอร์ซัพพลาย และอุปกรณ์อื่นๆ ก็เริ่มนำอินเทอร์เฟซ USB Type-C มาใช้เช่นกัน ซึ่งประสบความสำเร็จในการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ Tesla Model 3 รุ่นใหม่ใช้พอร์ต USB-C แทน USB-A และ Apple ได้เปลี่ยน MacBook และ AirPods Pro ทั้งหมดให้ใช้พอร์ต USB Type-C สำหรับการถ่ายโอนข้อมูลและการชาร์จ นอกจากนี้ ตามข้อกำหนดของสหภาพยุโรป แอปเปิลจะใช้พอร์ต USB Type-C ใน iPhone 15 รุ่นต่อไป และไม่ต้องสงสัยเลยว่า USB 4 จะเป็นพอร์ตหลักในตลาดผลิตภัณฑ์ในอนาคต
ข้อกำหนดสำหรับสาย USB4
การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดใน USB4 รุ่นใหม่คือการนำโปรโตคอล Thunderbolt มาใช้ ซึ่ง Intel ได้แบ่งปันกับ usb-if โดยการทำงานผ่านลิงก์คู่ ทำให้แบนด์วิดท์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเป็น 40Gbps และรองรับโปรโตคอลข้อมูลและการแสดงผลหลายแบบด้วยเทคโนโลยี Tunneling ตัวอย่างเช่น PCI Express และ DisplayPort นอกจากนี้ USB4 ยังคงรักษาความเข้ากันได้ดีกับโปรโตคอลพื้นฐานใหม่ โดยสามารถใช้งานร่วมกับ USB3.2/3.1/3.0/2.0 รวมถึง Thunderbolt 3 ได้ ด้วยเหตุนี้ USB4 จึงกลายเป็นมาตรฐาน USB ที่ซับซ้อนที่สุดในปัจจุบัน ทำให้ผู้ออกแบบต้องเข้าใจข้อกำหนดของ USB4, USB3.2, USB2.0, USB Type-C และ USB Power Delivery นอกจากนี้ ผู้ออกแบบต้องเข้าใจข้อกำหนดของ PCI Express และ DisplayPort รวมถึงเทคโนโลยีการป้องกันเนื้อหาความละเอียดสูง (HDCP) ที่เข้ากันได้กับโหมด DisplayPort ของ USB4 และสายเคเบิลและขั้วต่อที่เราคุ้นเคยก็มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์สายเคเบิล USB4 สำเร็จรูป
พอร์ต USB4 แบบโคแอกเซียลปรากฏขึ้นมาอย่างไม่คาดคิด
ในยุค USB 3.1 10G ผู้ผลิตหลายรายได้นำโครงสร้างแบบโคแอกเซียลมาใช้เพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพความถี่สูง ก่อนหน้านี้ยังไม่มีการใช้สายโคแอกเซียลในซีรี่ส์ USB โดยส่วนใหญ่ใช้ในโน้ตบุ๊ก โทรศัพท์มือถือ GPS เครื่องมือวัด เทคโนโลยีบลูทูธ เป็นต้น โดยทั่วไปแล้ว สายโคแอกเซียลที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ สายโคแอกเซียลทางการแพทย์ สายโคแอกเซียลอิเล็กทรอนิกส์แบบเทฟลอน สายโคแอกเซียลความถี่วิทยุ เป็นต้น ด้วยความต้องการควบคุมต้นทุนในตลาดจำนวนมาก ในยุค USB 3.1 สายแบบตีเกลียวจึงครองตลาดอย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ แต่ด้วยความต้องการการส่งสัญญาณความถี่สูงในตลาด USB 4 ที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ และการส่งสัญญาณความเร็วสูงต้องการสายที่มีความสามารถในการต้านทานการรบกวนและเสถียรภาพทางไฟฟ้าสูง เพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพของการส่งสัญญาณความถี่สูง ปัจจุบัน USB 4 ส่วนใหญ่จึงยังคงใช้สายโคแอกเซียลเป็นหลัก กระบวนการผลิตสายโคแอกเซียลเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน การแก้ปัญหาการใช้งานความถี่สูงและความเร็วสูงจึงต้องการอุปกรณ์การผลิตที่เหมาะสมและกระบวนการผลิตที่ครบวงจรและเสถียร ในการผลิตผลิตภัณฑ์ การเลือกวัสดุ พารามิเตอร์กระบวนการ และการควบคุมกระบวนการ รวมถึงพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการเฉพาะทาง มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ตลอดการพัฒนาโครงสร้างโคแอกเซียล นอกจากต้นทุนวัสดุที่สูงและต้นทุนการผลิตที่สูงแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่สำคัญ แต่การพัฒนาของตลาดมักมุ่งเน้นไปที่การหาทางที่จะได้ราคาต่อล็อตที่สูงที่สุด โครงสร้างแบบบิดเกลียวจึงเป็นช่องว่างในการวิจัยและพัฒนาโคแอกเซียลมาโดยตลอด
จากโครงสร้างของสายโคแอกเซียล จะเห็นได้ว่าจากด้านในสู่ด้านนอก ประกอบด้วย ตัวนำกลาง ชั้นฉนวน ชั้นนำไฟฟ้าชั้นนอก (ตาข่ายโลหะ) และผิวลวด ตามลำดับ สายโคแอกเซียลเป็นวัสดุผสมที่ประกอบด้วยตัวนำสองชนิด ตัวนำกลางของสายโคแอกเซียลใช้สำหรับส่งสัญญาณ ตาข่ายโลหะทำหน้าที่สองอย่าง คือ หนึ่งคือเป็นตัวนำร่วมสำหรับกระแสไฟฟ้า และอีกหนึ่งคือเป็นฉนวนป้องกันการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวนำกลางและตาข่ายป้องกันจะถูกคั่นด้วยชั้นฉนวนโพลีโพรพีลีนกึ่งโฟม ชั้นฉนวนเป็นตัวกำหนดคุณลักษณะการส่งสัญญาณของสายเคเบิล และช่วยปกป้องตัวนำกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงมีราคาแพงด้วยเหตุผลนี้
จะมีรุ่น USB4 สายคู่บิดเกลียวออกมาไหม?
เมื่อวงจรไฟฟ้าทำงานที่ความถี่สูงขึ้น คุณสมบัติทางไฟฟ้าของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ก็จะควบคุมได้ยากขึ้น เมื่อขนาดของชิ้นส่วนหรือขนาดของวงจรทั้งหมดเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของความถี่ในการทำงานมีค่ามากกว่าหนึ่ง ค่าความเหนี่ยวนำและความจุของวงจร หรือผลกระทบจากคุณสมบัติของวัสดุของชิ้นส่วน เป็นต้น แม้ว่าเราจะใช้โครงสร้างสายคู่ การทดสอบพารามิเตอร์ความถี่พื้นฐานก็ยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการของลูกค้าได้ และมีความยืดหยุ่นมากกว่าโครงสร้างแบบโคแอกเซียล และเส้นผ่านศูนย์กลางก็ใหญ่กว่ามาก ทำไมจึงไม่สามารถใช้สาย USB คู่ในปริมาณมากได้? โดยทั่วไป ยิ่งความถี่ในการใช้งานสายเคเบิลสูง ความยาวคลื่นของสัญญาณก็จะยิ่งสั้นลง และระยะห่างระหว่างสายก็จะยิ่งน้อยลง ซึ่งจะช่วยให้สมดุลของสัญญาณดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ระยะห่างระหว่างสายที่แคบเกินไปจะทำให้ประสิทธิภาพการผลิตต่ำและทำให้สายไฟหุ้มฉนวนเสียหายได้ ระยะห่างระหว่างสายคู่แคบมาก จำนวนการบิดตัวมีมาก และความเครียดจากการบิดตัวบนหน้าตัดจะกระจุกตัวอย่างรุนแรง ส่งผลให้ชั้นฉนวนเสียรูปและเสียหายอย่างรุนแรง และในที่สุดก็ทำให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าบิดเบี้ยว ส่งผลกระทบต่อตัวชี้วัดทางไฟฟ้าบางอย่าง เช่น ค่า SRL และการลดทอน เมื่อฉนวนมีความเยื้องศูนย์ ระยะห่างระหว่างตัวนำจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะเนื่องจากการหมุนของสายฉนวนเดี่ยว ซึ่งทำให้ค่าความต้านทานผันผวนเป็นระยะ ระยะเวลาการผันผวนค่อนข้างยาว ในการส่งสัญญาณความถี่สูง การเปลี่ยนแปลงช้าๆ นี้สามารถตรวจจับได้ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและส่งผลกระทบต่อค่าการสูญเสียการสะท้อนกลับ รุ่น USB4 คู่จึงไม่สามารถใช้งานเป็นจำนวนมากได้
ไม่ใช่สายดิน แต่ก็ไม่อยากใช้สายโคแอกเชียลที่เสี่ยงต่อการเสียหาย ดังนั้นจึงเริ่มมีการคิดค้นวิธีการป้องกันสัญญาณรบกวนในสาย USB4 ที่แตกต่างกันออกไป เพื่อแก้ไขข้อเสียที่สำคัญที่สุดคือตัวนำบิดงอได้ง่าย และความแตกต่างจากการใช้สายแบบขนานโดยตรงคือการหลีกเลี่ยงการบิดงอของตัวนำ ดังที่เราทราบกันดีว่า ปัจจุบันมีการใช้ SAS, SFP+ ฯลฯ ในสายความเร็วสูง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพต้องสูงกว่าแบบสายเดี่ยว บทบาทสำคัญของสายส่งข้อมูลความถี่สูงคือการส่งสัญญาณข้อมูล แต่เมื่อเราใช้งาน อาจมีสัญญาณรบกวนต่างๆ เกิดขึ้นรอบๆ ตัว ลองคิดดูว่าหากสัญญาณรบกวนเหล่านี้เข้าไปในตัวนำภายในของสายส่งข้อมูลและซ้อนทับกับสัญญาณที่ส่งมาเดิม จะสามารถรบกวนหรือเปลี่ยนแปลงสัญญาณที่ส่งมาเดิมได้หรือไม่ ทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณหรือปัญหาอื่นๆ หรือไม่? และความแตกต่างของชั้นฟอยล์อลูมิเนียมคือการส่งข้อมูลมาถึงเราโดยทำหน้าที่ป้องกันและกำบัง ใช้เพื่อลดการรบกวนจากสัญญาณภายนอกที่ไม่เกี่ยวข้องระหว่างการส่งสัญญาณ วัสดุหลักของสายรัดและฟอยล์อลูมิเนียมที่ใช้ดึงนั้นใช้ฟอยล์อลูมิเนียมในการปิดผนึกและกำบัง เคลือบด้านเดียวหรือสองด้านบนฟิล์มพลาสติก ฟอยล์คอมโพสิต lu:su ที่ใช้เป็นเกราะป้องกันสายเคเบิล ฟอยล์สายเคเบิลต้องมีน้ำมันบนพื้นผิวน้อย ไม่มีรู และมีคุณสมบัติทางกลสูง กระบวนการห่อคือการรวมสายไฟแกนหุ้มฉนวนสองเส้นและสายดินเข้าด้วยกันผ่านเครื่องห่อ ในขณะเดียวกัน ชั้นฟอยล์อลูมิเนียมและชั้นเทปโพลีเอสเตอร์แบบมีกาวในตัวบนแผ่นด้านนอกจะใช้เพื่อป้องกันคู่สายและทำให้โครงสร้างของสายไฟแกนที่ห่อหุ้มมีความเสถียร กระบวนการนี้มีผลสำคัญต่อคุณสมบัติของสายไฟ รวมถึงอิมพีแดนซ์ ความแตกต่างของความล่าช้า การลดทอน เนื่องจากต้องผลิตอย่างเคร่งครัดตามข้อกำหนดของช่างฝีมือ และทำการทดสอบคุณสมบัติทางไฟฟ้า เพื่อให้แน่ใจว่าสายไฟแกนที่ห่อหุ้มเป็นไปตามข้อกำหนด แน่นอนว่าไม่ใช่สายส่งข้อมูลทั้งหมดจะมีเกราะป้องกันสองชั้น บางสายมีหลายชั้น บางสายมีเพียงชั้นเดียว หรือไม่มีเลย การป้องกันคือการแยกพื้นที่สองส่วนด้วยโลหะเพื่อควบคุมการเหนี่ยวนำและการแผ่รังสีของคลื่นไฟฟ้า แม่เหล็ก และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกพื้นที่หนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แกนตัวนำจะถูกล้อมรอบด้วยตัวป้องกันเพื่อป้องกันไม่ให้ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก/สัญญาณรบกวน และเพื่อป้องกันไม่ให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า/สัญญาณรบกวนแพร่กระจายออกไป การทดสอบสัญญาณความถี่สูงของสาย USB แบบดิฟเฟอเรนเชียลคู่สามารถเปรียบเทียบได้กับสายโคแอกเซียล สาย USB4 แบบดิฟเฟอเรนเชียลคู่กำลังจะวางจำหน่าย
วันที่โพสต์: 16 สิงหาคม 2565
