探索TS3USB30：高速USB 2.0信號(hào)切換的理想之選

在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，高速信號(hào)的切換與隔離一直是工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。特別是在USB接口應(yīng)用日益廣泛的今天，如何確保高速USB 2.0信號(hào)的穩(wěn)定傳輸成為了一個(gè)關(guān)鍵問題。德州儀器（TI）的TS3USB30高速USB 2.0（480-MBPS）1:2復(fù)用器/解復(fù)用器開關(guān)，為我們提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、TS3USB30的特性亮點(diǎn)

1. 電源與控制兼容性

TS3USB30支持3V和4.3V的(V_{CC})操作，其控制引腳輸入與1.8V兼容。這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，為設(shè)計(jì)帶來了更大的靈活性。同時(shí)，它還支持部分掉電模式操作，在(OFF)狀態(tài)下能有效降低功耗，最大功耗僅為1μA。

2. 低電阻與電容特性

這款開關(guān)的導(dǎo)通電阻(R{on})最大為10Ω，通道間導(dǎo)通電阻匹配(Delta R{on})典型值小于0.35Ω，導(dǎo)通狀態(tài)輸入電容(C_{io(ON)})典型值為7pF。這些特性保證了信號(hào)在傳輸過程中的低損耗和穩(wěn)定性，減少了信號(hào)失真。

3. 出色的ESD性能

TS3USB30經(jīng)過了嚴(yán)格的ESD性能測(cè)試，符合JESD 22標(biāo)準(zhǔn)。其中，人體模型（HBM）可達(dá)6000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為1000V，機(jī)器模型（MM）為250V。這使得它在復(fù)雜的電磁環(huán)境中具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能有效保護(hù)設(shè)備免受靜電損害。

4. 高帶寬與小封裝

該開關(guān)的-3dB帶寬典型值為955MHz，能夠讓信號(hào)以最小的邊緣和相位失真通過。同時(shí)，它采用了10引腳UQFN（1.4mm × 1.8mm）封裝，體積小巧，適合在空間有限的設(shè)備中使用。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

1. USB信號(hào)路由

TS3USB30可用于USB 1.0、1.1和2.0信號(hào)的路由，在USB集線器或控制器USB I/O有限的系統(tǒng)中，它能有效地?cái)U(kuò)展有限的USB I/O，通過在多個(gè)USB總線之間進(jìn)行切換，將它們連接到單個(gè)USB集線器或控制器。

2. MIPI信號(hào)路由

除了USB信號(hào)，它還能用于移動(dòng)行業(yè)處理器接口（MIPI）信號(hào)的路由，為移動(dòng)設(shè)備中的信號(hào)傳輸提供了更多的選擇。

三、詳細(xì)規(guī)格解析

1. 絕對(duì)最大額定值

在使用TS3USB30時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值。例如，(V{CC})的范圍為-0.5V至7V，控制輸入電壓(V{IN})和信號(hào)路徑I/O電壓(V_{I/O})也有相應(yīng)的限制。超過這些額定值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

2. ESD額定值

前文提到的出色ESD性能在規(guī)格中也有明確體現(xiàn)，人體模型（HBM）為6000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為1000V，這為設(shè)備的可靠性提供了有力保障。

3. 推薦工作條件

推薦的(V{CC})工作電壓范圍為3V至4.3V，控制輸入電壓根據(jù)不同的(V{CC})值也有相應(yīng)的要求。同時(shí)，工作環(huán)境溫度范圍為-40°C至85°C，在這個(gè)范圍內(nèi)設(shè)備能保持良好的性能。

4. 電氣特性

包括控制輸入鉗位電壓、控制輸入電流、(D+)和(D–)的關(guān)態(tài)泄漏電流等參數(shù)都有詳細(xì)的規(guī)定。例如，在(V{CC}=3V)，(I{I}=-18mA)時(shí)，控制輸入鉗位電壓(V_{IK})為-1.2V。這些參數(shù)對(duì)于工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估非常重要。

5. 動(dòng)態(tài)電氣特性

如串?dāng)_（XTALK）、關(guān)態(tài)隔離（(O{ISO})）和帶寬（BW）等參數(shù)，在特定的測(cè)試條件下都有明確的典型值。例如，在(R{L}=50Ω)，(f = 240MHz)時(shí)，串?dāng)_為-56dB，關(guān)態(tài)隔離為-39dB，帶寬為955MHz。這些特性直接影響著信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

6. 開關(guān)特性

包括傳播延遲、線路啟用時(shí)間、線路禁用時(shí)間、輸出偏斜等參數(shù)。例如，傳播延遲典型值為0.25ns，線路啟用時(shí)間最大為30ns，線路禁用時(shí)間最大為25ns。這些參數(shù)對(duì)于高速信號(hào)的切換和同步非常關(guān)鍵。

四、功能與模式分析

1. 功能概述

TS3USB30是一款專門為高速USB 2.0信號(hào)切換和隔離設(shè)計(jì)的高帶寬開關(guān)。它能夠?qū)SB主機(jī)設(shè)備的差分輸出多路復(fù)用到兩個(gè)相應(yīng)輸出中的一個(gè)，或者將兩個(gè)不同主機(jī)的輸出連接到一個(gè)相應(yīng)輸出。開關(guān)具有雙向性，輸出端對(duì)高速信號(hào)的衰減很小或幾乎沒有。

2. 功能框圖

從功能框圖中可以清晰地看到各個(gè)引腳的連接關(guān)系，包括(D1+)、(D+)、(D2+)、(D1–)、(D–)、(D2–)、(S)和(overline{OE})等引腳。這些引腳的合理連接是實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的關(guān)鍵。

3. 特性描述

該開關(guān)具有總線開關(guān)使能引腳(overline{OE})，可以將信號(hào)路徑置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。這樣，用戶在不使用總線時(shí)可以將其隔離，從而降低功耗。

4. 設(shè)備功能模式

通過真值表可以清楚地了解設(shè)備在不同(S)和(overline{OE})輸入狀態(tài)下的功能。例如，當(dāng)(overline{OE})為高電平時(shí)，設(shè)備處于斷開狀態(tài)；當(dāng)(overline{OE})為低電平，(S)為低電平時(shí)，(D = D1)；當(dāng)(overline{OE})為低電平，(S)為高電平時(shí)，(D = D2)。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 應(yīng)用信息

在USB應(yīng)用中，當(dāng)USB集線器或控制器的USB I/O有限時(shí)，TS3USB30可以發(fā)揮重要作用。它能有效擴(kuò)展有限的USB I/O，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更多的可能性。

2. 典型應(yīng)用

以一個(gè)典型的應(yīng)用電路為例，它可以將USB 2.0控制器與多個(gè)USB連接器或控制器連接起來。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循USB 1.0、1.1和2.0標(biāo)準(zhǔn)，并將數(shù)字控制引腳(S)和(overline{OE})上拉到(V_{CC})或下拉到GND，以避免引腳浮空導(dǎo)致的開關(guān)位置異常。

3. 設(shè)計(jì)要求與步驟

雖然TS3USB30可以在沒有任何外部組件的情況下正常工作，但為了防止信號(hào)反射回設(shè)備，建議將未使用的引腳通過50Ω電阻連接到地。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中還需要注意電源供應(yīng)和布局等方面的問題。

六、電源與布局建議

1. 電源供應(yīng)

設(shè)備的電源通過(V{CC})引腳提供，應(yīng)遵循USB 1.0、1.1和2.0標(biāo)準(zhǔn)。為了平滑低頻噪聲，提供更好的負(fù)載調(diào)節(jié)，建議在(V{CC})引腳附近放置一個(gè)旁路電容。

2. 布局指南

在布局時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 供應(yīng)旁路電容應(yīng)盡可能靠近(V_{CC})引腳，避免靠近(D+)和(D–)走線。
• 高速(D+)和(D–)走線長(zhǎng)度應(yīng)匹配且不超過4英寸，其阻抗應(yīng)與電纜特性差分阻抗匹配。
• 盡量減少高速USB信號(hào)走線中的過孔和拐角，避免信號(hào)反射和阻抗變化。
• 避免在晶體、振蕩器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器等附近布線，防止干擾。
• 避免高速USB信號(hào)出現(xiàn)短截線，若無法避免，短截線長(zhǎng)度應(yīng)小于200mm。
• 所有高速USB信號(hào)走線應(yīng)在連續(xù)的平面（(V_{CC})或GND）上進(jìn)行布線，避免交叉。

七、總結(jié)

TS3USB30作為一款專為高速USB 2.0信號(hào)設(shè)計(jì)的開關(guān)，具有眾多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要充分了解其規(guī)格、功能和應(yīng)用要點(diǎn)，合理進(jìn)行電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似的高速信號(hào)開關(guān)時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。