摘要：本應(yīng)用筆記介紹如何利用MAX4906EF實(shí)現(xiàn)一個(gè)超低功耗、低成本的雙USB 2.0端口切換開(kāi)關(guān)。這個(gè)電路在幾乎沒(méi)有增加電流消耗的情況下為USB設(shè)計(jì)增加了一個(gè)2:1開(kāi)關(guān)，從而使幾個(gè)插座可以重復(fù)使用一個(gè)收發(fā)器。

概述

許多USB系統(tǒng)需要復(fù)用端口，但并不需要所有端口同時(shí)工作。比如，某個(gè)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品在前、后面板上都有用來(lái)讀取存儲(chǔ)器的端口，但在某個(gè)時(shí)間只使用一個(gè)端口，這是一種比較容易接受的方式。這種情況下，最好使用USB開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗恍枰獦O低的功耗(幾乎為零)，并且不會(huì)在器件和互聯(lián)設(shè)備間引入額外的電平。

本應(yīng)用筆記介紹如何利用MAX4906EF實(shí)現(xiàn)USB 2.0兼容*的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。

USB 2.0兼容性

USB 2.0 (高速USB)要求數(shù)據(jù)速率達(dá)到480Mbps，并且系統(tǒng)為了保證兼容性還需通過(guò)眼圖測(cè)試。眼圖顯示了D+和D-信號(hào)線的傳輸有效性，圖形類(lèi)似于人的眼睛。圖1提供了一個(gè)USB2.0規(guī)范要求的眼圖模板，如果器件輸出通過(guò)了眼圖測(cè)試，那么這個(gè)系統(tǒng)就符合規(guī)范要求。*


圖1. 通用串行總線規(guī)范版本2.0所要求的眼圖模板(參見(jiàn)規(guī)范中的圖7–13)

假定被測(cè)系統(tǒng)在電路板上有一個(gè)開(kāi)關(guān)，輸出端有一個(gè)連接器，那么，信號(hào)眼圖必須落在眼圖模板之外。眼睛的開(kāi)度是±400mV，容許2dB的輕微損耗。MAX4906EF USB 2.0開(kāi)關(guān)具有低至0.5dB的頻率損耗，對(duì)眼圖開(kāi)度沒(méi)有影響。

下一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是系統(tǒng)帶寬，左右兩側(cè)的斜線給出了系統(tǒng)容許的上升、下降時(shí)間。D+ (同相數(shù)據(jù))信號(hào)必須通過(guò)并且不能接觸到六邊形。由于系統(tǒng)基本上是個(gè)RC濾波器，所以初看上去很容易計(jì)算。如果假定系統(tǒng)有良好的45Ω匹配(根據(jù)USB規(guī)范)，并且采用雙端接，信號(hào)將類(lèi)似于：

V = V0 × (1 - e-t/RC)，其中R = 22.5

D+曲線需要顯示出從V = 50%至V = 100%的軌跡；根據(jù)規(guī)范要求，最左側(cè)點(diǎn)是7.5% UI (單位間隔)或(0.075) × 2.08ns，或156ps。

將MAX4906EF應(yīng)用在一塊理想的電路板時(shí)，它可以達(dá)到這些要求，很容易通過(guò)眼圖測(cè)試。

非理想電路板引入的電容問(wèn)題

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將MAX4906EF放置在一塊非理想的電路板時(shí)，也許會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。通常設(shè)計(jì)人員無(wú)權(quán)決定使用何種類(lèi)型的電路板，這由采購(gòu)人員決定，或取決于系統(tǒng)中的其它電路板。如果設(shè)計(jì)人員對(duì)諸如材料、板層厚度、電路板的介電常數(shù)等提出約束條件，就會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高，或無(wú)法按時(shí)交付使用。所以設(shè)計(jì)人員幾乎沒(méi)有選擇余地，只能利用公司已經(jīng)使用的電路板類(lèi)型。

理想情況下，電路板可以提供很好的傳輸線。如果板層厚度可以控制，而且可以完全指定線寬和線間距，可以得到近乎于理想的傳輸線引線。對(duì)于高頻電路板設(shè)計(jì)難度較大，具有一些特殊要求：走線需要有4mil (0.1mm)的厚度、5mil (0.125mm)的寬度、間隔5mil。幾乎所有PCIe?板都由介電常數(shù)約等于4.4的FR4材料制成。如果不是板層很厚或者引線很寬，幾乎不可能得到真正的90Ω到100Ω的平衡傳輸線。

電路板設(shè)計(jì)人員通常受限于電路板和最多四層板的板層限制。如果板層均勻分布，板層尺寸固定，幾乎所有電路板材料都是62mil (1.5mm)，這樣，絕緣厚度大約為18.6mil (0.47mm)。如果引線采用一般間距(10mil至20mil)，引線的特征阻抗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于期望值，達(dá)到180Ω (幾乎是目標(biāo)值的兩倍)。如果引線很短(< ?λ)，這些引線將會(huì)增大系統(tǒng)電容。

構(gòu)建USB 2.0兼容*開(kāi)關(guān)

由于采用了堅(jiān)固的輸入架構(gòu)，MAX4906EF具有±15kV HBM (人體模式) ESD保護(hù)。即使該結(jié)構(gòu)增大了器件電容，但省去了二極管或其它ESD抑制器件，有效降低了系統(tǒng)的總成本。由于沒(méi)有加入其它器件，通常還會(huì)降低系統(tǒng)的總體電容。

我們知道MAX4906EF在理想單板上通過(guò)了眼圖測(cè)試，但是對(duì)于很多標(biāo)準(zhǔn)電路板，眼圖開(kāi)度可能不理想。低成本MAX4906EF具有較高的ESD保護(hù)，能夠滿足幾乎所有USB 2.0的要求，并向后兼容USB 1.1 (低/全速)，但還需要完成一些工作來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

在器件上串聯(lián)一個(gè)分立電感，可以在一定程度上抵消容抗，增大眼圖開(kāi)度。如果增加足夠大的電感，補(bǔ)償器件電容以及電路板其它寄生電容的影響，從而峰化240MHz的三次諧波，就不會(huì)對(duì)低頻信號(hào)有太多影響，并且可以提高系統(tǒng)性能。假定MAX4906EF和電路板電容總計(jì)為12pF，需要峰化500MHz的響應(yīng)時(shí)，串聯(lián)一個(gè)很小的電感即可滿足要求。

通過(guò)在電路上串聯(lián)一個(gè)小電感(5nH到15nH)，即可提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。小電感、低Q值即可獲得較寬的峰頂，小電感對(duì)基頻幾乎沒(méi)有影響。

Maxim通過(guò)仿真確定外加電感對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。利用MATLAB?軟件生成模擬USB信號(hào)的偽隨機(jī)代碼，提供信號(hào)源和負(fù)載端接。測(cè)試結(jié)果非常好，眼圖左側(cè)增加了裕量，這是最難通過(guò)眼圖模板測(cè)試的部分。圖2所示是在電容為12pF、沒(méi)有串聯(lián)電感的情況下，MAX4906EF生成的眼圖。


圖2. MAX4906EF生成的眼圖，12pF電容、沒(méi)有串聯(lián)電感

系統(tǒng)能夠“通過(guò)”眼圖模板的測(cè)試，但很困難，左側(cè)第1測(cè)試點(diǎn)幾乎沒(méi)有任何裕量，上升時(shí)間從信號(hào)的50%到100%明顯變緩，下降時(shí)間(右側(cè))從0到50%非常快。x軸為一個(gè)UI或2083ps，圖中第1測(cè)試點(diǎn)與眼圖起始位置相距0.375 UI或780ps。這一點(diǎn)眼圖開(kāi)度必須大于300mV或幅度的75%。如果電路板電容稍微增大一點(diǎn)，或器件電容不是12pF，而是15pF，那么系統(tǒng)就無(wú)法通過(guò)眼圖測(cè)試。圖3所示仿真結(jié)果是在器件串聯(lián)了18nH的情況下測(cè)試的。


圖3. 串聯(lián)18nH后MAX4906EF生成的眼圖

MAX4906EF串聯(lián)18nH電感后，較難通過(guò)測(cè)試的第1點(diǎn)有了更多空間。通過(guò)這個(gè)電感，高頻峰化很明顯，而且信號(hào)強(qiáng)度也有所增加。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，設(shè)計(jì)者根據(jù)具體電路板，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)在10nH到20nH間選取電感值。


圖4. 構(gòu)建USB 2.0開(kāi)關(guān)的完整電路圖，本電路經(jīng)過(guò)安裝與測(cè)試，可以明顯提高系統(tǒng)性能，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果非常類(lèi)似

結(jié)論

為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，寬帶高頻電路在實(shí)際設(shè)計(jì)常常會(huì)遇到一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，不合理的電路板布線會(huì)增大電容，造成系統(tǒng)工作混亂并降低USB通信的性能。

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了利用MAX4906EF實(shí)現(xiàn)USB 2.0兼容*開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的電路。在電路上增加一個(gè)串聯(lián)電感，就能夠以很低成本峰化高頻響應(yīng)。從電路的本質(zhì)上講，電感值并不需要很精確，數(shù)值在±20%范圍內(nèi)即可。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以添加分立的電感或在電路板上用蛇形走線模擬所需要的電感，此時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)增加額外成本。MAX4906EF在幾乎沒(méi)有增大電流損耗的前提下為USB設(shè)計(jì)增加了一個(gè)2:1開(kāi)關(guān)，可以使一個(gè)收發(fā)器在幾個(gè)插座間公用。這個(gè)方案構(gòu)建了一個(gè)超低功耗、低成本、兩端口USB 2.0。

*本應(yīng)用筆記討論了如何改善開(kāi)關(guān)的頻率響應(yīng)，以滿足USB 2.0的眼圖要求。但是，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)是否符合USB 2.0規(guī)范最終還取決于系統(tǒng)的架構(gòu)。