Pase la conexión USB 3.0 a través del conector D-SUB

Question

Necesito pasar un cable USB a través de la pared de una cámara de vacío, para lo cual sólo disponemos de bridas pasamuros D-SUB. Así que corté un cable USB por la mitad y soldé un conector D-SUB a cada mitad. Para conexiones USB 2.0, esto funciona sin problemas, pero he tenido problemas para conseguir que funcione una conexión USB 3.0.

En concreto, el ordenador emite el sonido de conexión/desconexión repetidamente cada pocos segundos cuando se enchufa el cable. La única solución consiste en empujar el conector lentamente hasta que se reconozca el dispositivo, forzando así una conexión USB 2.0.

Supongo que se debe a un blindaje insuficiente para conseguir un enlace USB 3.0.

Las conexiones individuales parecen estar bien, con resistencia <3 para cada una y sin cortocircuitos. A continuación se muestra un diagrama de cómo he dirigido los cables a través del conector:

Como se muestra en la figura, la pantalla se conecta a la carcasa del conector para conectar la pantalla de ambos lados. Traté de mantener la cantidad de blindaje destruido bajo, con alrededor de 3 cm a cada lado eliminado.

¿Cuál es la causa más probable de este fallo y cómo evitarlo en el futuro, si es posible?

Answer 1

Supongo que se debe a un apantallamiento insuficiente para conseguir un enlace USB 3.0.

Es más probable que simplemente introduzcas una ruptura de impedancia tan importante al separar los pares de conductores de los conductores de supervelocidad que la comunicación no pueda producirse correctamente.

¿Cuál es la causa más probable de este fallo y cómo evitarlo en el futuro, si es posible?

Como se ha dicho, no se pueden separar los conductores de USB3 arbitrariamente: la señal se transporta como campo electromagnético entre los conductores; como las frecuencias de señal de USB3 están sólidamente dentro de la gama de microondas, la división del par de conductores significa esencialmente que se interrumpe el transporte de energía.

Es probable que no pueda resolver esta situación utilizando sus conectores D-SUB actuales. Tendrás que sustituir estos conectores por otros que al menos mantengan aproximadamente la impedancia nominal de 90Ω de los pares de conectores USB3 SS. Es bastante probable que la forma más fácil de conseguirlo sea a través de los propios conectores USB3.

Answer 2

Aquí hay dos problemas:

1) Un cable USB es intercambiable en caliente, lo que significa que los pines de alimentación se conectan primero (son más largos que los pines de datos). Un conector d-sub no está hecho para conectarse en caliente, los pines son todos de la misma longitud y algunos se conectan primero dependiendo del ángulo en el que se enchufe el d-sub, lo que puede causar problemas.

2) La impedancia de las líneas diferenciales (como se ha mencionado anteriormente) tiene que ser de 90Ω, de lo contrario las señales diferenciales rápidas se reflejarán y atenuarán si no están correctamente adaptadas. También es necesario controlar la impedancia del conector para que las señales rápidas pasen a través de él.

La especificación USB 3.0 utiliza señalización de baja frecuencia (10-50 MHz) para iniciar un enlace con el otro lado. Los transceptores SFP+ no suelen cubrir este rango, al menos no en sus hojas de datos (es más como 300-2500 MHz más o menos). Por tanto, es posible que esta señal vital no llegue correctamente al otro lado, y por lo tanto el establecimiento del enlace puede fallar. Fuente: http://billauer.co.il/blog/2015/12/usb-superspeed-parallel/

El problema con tu d-sub es que probablemente tiene una capacitancia \inductance similares a las que se muestran a continuación, y no lo suficientemente rápidas como para pasar la señalización rápida de 2,5 GHz de USB 3.0

Fuente: https://www.farnell.com/datasheets/66098.pdf

¿Qué puede hacer al respecto?

Si no tienes que tener USB 3.0, puedes probar a usar sólo las líneas GND, Vcc, D+ y D-. Si se puede evitar la conexión en caliente del D-sub, sería lo mejor (conectar el conector que va al concentrador).

También fabrican pasamuros para puertos USB 3.0 compatibles con UHV por si quieres taladrar otro orificio en tu placa o encontrar otra forma de canalizarlo.

Answer 3

El problema del conector DB-9 es que no está "controlado por impedancia" y no tiene apantallamiento entre pares de señales (hay que utilizar pares diferenciales a través del conector y apantallarlos de otros pares diferenciales). El USB 3.0 funciona a una frecuencia de señal de 2,5 GHz, y un "cable suelto de 3 cm" es mortal para él. El desajuste de impedancias crea multitud de reflexiones de señal (que causan la llamada "interferencia entre símbolos"), y una interferencia cruzada significativa entre los pares Rx y Tx acabará con la coherencia de la señal y provocará caídas masivas del enlace. Las especificaciones USB 3.x tienen requisitos muy estrictos en cuanto a impedancia y diafonía en los extremos cercano y lejano del cable.

Para tener una conexión USB 3.x con tu cámara interna, necesitas o bien hacer una búsqueda intensiva de conectores USB de grado vacío (si existen, puede que sí), o utilizar conectores multipolo coaxiales de 50-Ω de grado RF, de grado espacial. Existen conectores Sub-D biaxiales, necesitas al menos dos canales biaxiales, similares a este:

También podrías usar conectores usados para conectividad ethernet, si puedes encontrarlos en versión para vacío, algo como esto

En el peor de los casos, se pueden utilizar cuatro conectores SMA pasantes y fabricar un adaptador de USB a SMA, similar al que utiliza USB-IF en las pruebas de interconexión y certificación de cables, algo parecido a esto:

Algunas fuentes de soluciones de alimentación al vacío son Tecnología Pave , Productos de vacío MDC y probablemente muchos otros.

En cualquier caso no veo ninguna posibilidad de tener un canal USB SuperSpeed fiable usando conectores DB-9, y necesitarás una seria revisión de tu cámara.