适用于汽车的USB接口连接器介绍与设计

　　USB（通用串行总线）正逐步发展成为一项标准的传输协议。毫无疑问，这种发展得益于USB接口在众多电子产品中的广泛应用。因此，在车辆上配置这类通用总线设备是非常合理和明智的选择。

　　在过去的十多年中，集成化的通信技术在各类车辆上的应用得以迅猛发展。汽车无线电装置无疑已成为汽车中的“主体单元”，负责对大量应用和功能设备进行中央协调。

　　与此同时，电子产品（如笔记本电脑、iPods、移动电话、MP3播放器和存储棒等）在汽车中的应用范围也在不断增加，因此，必须确保电子产品与现有车载设备之间数据传输的可靠性；另外，数据传输系统不仅在中高档和豪华型车辆上进行装配，而且还将逐步发展到标准配置车辆上，这已经成为当前的主流趋势。

　　USB正逐步发展成为一项标准的传输协议。虽然目前市场上已能提供大量相关的传输配件，特别是在连接技术方面（如连接器和传输线），而且这些配件使用起来也很方便和快捷，但在某些场合下，使用这些产品会使应用变得复杂且具有风险性。

　　对于目前车内逐渐开始使用的USB接口设备，其连接器和线缆往往不是根据车载恶劣环境设计的。因此，最简线路设计未必就是最成功的设计。设备上松散敷设的线缆、适配器导线，尤其是屏蔽较差的线路连接，会明显恶化车辆内部的电磁状况。

　　基于多年量产化产品的生产经验，泰科电子（Tyco Electronics）认为这些产品设计还必须满足许多其他在车辆使用中的边界条件，包括非常苛刻的环境要求，例如在遭受振动、潮湿、气体污染和机械应力的情况下，相关部件必须能在指定的温度范围内正常运行。这些要求将确保车辆相关部件拥有15～20年左右的使用寿命。

　　当然，这些功能也与汽车制造厂直接相关；另外，接插使用次数也是USB连接器非常重要的一项指标。尽管移动电话、计算机等许多电子产品每两三年便要更换一次，但经测算，车辆用USB接口必须在大约20年的使用寿命里可保证接插20 000次。图1所示为泰科电子的可靠的汽车USB连接技术。

　　在今后几年内接口将向小型化发展，因此使用小型或微型USB接口就只是时间问题了。泰科电子通过综合的产品概念来解决这些问题，其原理是通过使用与车辆用途全面兼容的连接器和线缆，再结合可灵活更换的USB适配器来解决。

高速连接器在车辆上使用的基础原理

　　在开发适用于高频车用连接系统时，首要考虑其在恶劣环境下使用时的精确度、机械强度和总体适用性的设计问题。要实现对称高频电信号通过线缆和接口的无干扰数据通信，如下特性同样非常重要：传输线路上的恒阻抗；绝缘材料介质损耗小；连接器采用良好的低电阻的端子连接；成对信号导线规则绞线；屏蔽部分重复覆盖。

　　很明显，如果不做额外努力，这些特殊要求将无法实现。同时，我们还必须注意到，有些条件还是互相矛盾的。更重要的是如何选择端子连接系统，它必须能保证在车辆使用寿命内端接良好。这里可能面临的问题包括低接触电阻和阻抗，以及插座和端子触点的接插区的同质性。

　　基于上述原因，泰科电子选择MQS（Micro Quadlock）端子连接系列应用于数据传输。该系统已在各类车辆上经多年验证，如果配上其对称型连接器的设计，原则上也适用于数据传输。图1上半部分显示了基于MQS连接的4位屏蔽连接器系统。
 

图1 泰科电子的可靠的汽车USB连接技术

　　在这里，整个接插件都采用屏蔽设计。这种设计一方面能确保连接区域的稳定阻抗，另一方面能满足汽车电磁兼容性（照射、辐射）的高要求。

为汽车集成设计的USB接口连接器概念

　　当今，几乎每种电子消费产品都拥有标准型A、B或迷你型的USB接口。在汽车中使用这种接口的一个不可忽视的问题是如何确保在长时间重复插拔后连接系统的可靠性。假设每天平均使用3次，每年约使用1 000次，那么在汽车20年的使用寿命中接插次数可高达20 000次。

　　不同的设备会要求不同种类的USB接口。如何选择接口的安装位置同样需要考虑驾驶员的人机工程学的要求。

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　　基于上述原因，泰科电子开发了一套能满足以上所有要求，同时又为客户进一步改装带来便利的连接系统。此系统的开发核心在于USB接口的易换性，此技术也称为USB适配器。它什么时候都可以更换，比如每年一次。

　　在车内信号通过屏蔽的USB线缆传输至相关的USB控制单元，如“主体单元”。这种连接方式是经过各种汽车应用规范测试的。在完全屏蔽的情况下，这种连接器同样能满足480MBit/s的USB高速传输标准。这样就能确保USB接口到控制单元阻抗的稳定性和良好的电磁兼容性。与“主体单元”连接的4位连接器和本文中提及的MQS接插件原理相同。此便捷又经济的可替换USB适配器设计原理，在其他接口上也同样适用，如迷你型USB接口。

测试和鉴定

　　所有提及部件已根据SAE/USCAR-30草案/08-2006规范进行过相关测试。特别值得一提的是，对连接器进行温度循环和环境测试相结合的测试。USCAR-30规范要求综合测试这些接插件，可以说，既要满足“用户”的需求，又要满足“车辆”的要求。因此每5 000次才有替换USB适配器的必要，也就是约每5年一次。

　　电磁兼容性能对于接插件技术的质量也是至关重要的。为证明这项性能，在运行中的USB接口已根据相应的电磁兼容标准进行测试。考虑到数据传输速率，应根据高频参数开发相应的USB高速数据传输系统。

　　根据SAE/USCAR-30草案/08-2006规范所涉及USB2.0修订本说明的一些主要的高频参数如下：

　　1. 阻抗范围（90±15%）；

　　2. 传播时延（<26ns）；

　　3. 传播时延差（<100ps）；

　　4. 衰减率（<5.8dB，f=400MHz）；

　　5. 屏蔽范围（最小20dB，30MHz～1GHz）。

　　传播通路中阻抗不连续性将会导致反射损失和信号失真。借助时域反射计（TDR），阻抗值可用时间函数直接显示出来（见图2），以便时刻监测该数值是否符合USB系统的规定系统公差。

 
 
图2 可替换的USB适配器的阻抗图

　　泰科电子的USB连接器系统同时满足阻抗、传播时延（两个设备间信号传输的时间）和传播时延差（差分对内偏移）的要求。除了这些参数，衰减率也是具有重要影响的标称值之一。互连衰减将引起信号失真并影响系统的功率设计。

　　电子数据链路必须完成两项主要任务：一是数据传输，二是不影响周围环境。因此，必须注意保证电线和接插件屏蔽以及接插件和接插件屏蔽间极低的感应互连。通过屏蔽效能参数，可以看出如连接器、线缆和连接器组件等无源元件的屏蔽质量。屏蔽效能提供了电磁干扰的可消除的参数范围。绝对辐射值的最小化和抗干扰性的最大化，不仅取决于连接器的设计，同样也取决于屏蔽层之间的连接概念。泰科电子可替换的USB适配器能完全满足上述所有USB高速数据传输系统的限定条件。