TUSB1002A：高性能 USB 3.2 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，高速數(shù)據(jù)傳輸需求不斷增長(zhǎng)，USB 接口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾獦蛄?，其性能的提升至關(guān)重要。TUSB1002A 作為一款先進(jìn)的雙通道 USB 3.2 x1 SuperSpeedPlus 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)調(diào)節(jié)器，以其卓越的性能和低功耗特性，在眾多電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。本文將深入探討 TUSB1002A 的特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、TUSB1002A 特性剖析

1.1 高速傳輸支持

TUSB1002A 支持 USB3.2 x1 SuperSpeed (5Gbps) 和 SuperSpeedPlus (10Gbps)，同時(shí)兼容 PCI Express Gen3、SATA Express 和 SATA Gen3，為不同類型的高速數(shù)據(jù)傳輸提供了強(qiáng)大的支持。這使得它能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景，滿足不同設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。

1.2 超低功耗架構(gòu)

采用超低功耗架構(gòu)是 TUSB1002A 的一大亮點(diǎn)。在斷開(kāi) U2、U3 時(shí)功耗小于 1.9mW，關(guān)斷時(shí)功耗小于 700μW。這種低功耗設(shè)計(jì)不僅有助于降低設(shè)備的整體功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，還能減少散熱問(wèn)題，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

1.3 可調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置

它具有可調(diào)節(jié)電壓輸出擺幅線性范圍，高達(dá) 1200mVpp，并且擁有 16 種線性均衡設(shè)置，高達(dá) 16dB（10Gbps 時(shí)），還可調(diào)節(jié)直流均衡增益。這些可調(diào)節(jié)參數(shù)使得 TUSB1002A 能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和信號(hào)傳輸要求進(jìn)行靈活配置，有效補(bǔ)償通道損失，提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。

1.4 兼容性與熱插拔支持

TUSB1002A 與 LVPE502A 和 LVPE512 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器、TUSB1002 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器引腳對(duì)引腳兼容，方便工程師進(jìn)行升級(jí)和替換。同時(shí)，它支持熱插拔功能，為設(shè)備的使用和維護(hù)提供了極大的便利。

1.5 寬溫度范圍與 ESD 保護(hù)

該器件具有商業(yè)級(jí)（0°C 至 70°C）和工業(yè)級(jí)（ -40°C 至 85°C）兩個(gè)版本，適用于不同的工作環(huán)境。此外，具備 ±5kV HBM ESD 保護(hù)，能夠有效防止靜電放電對(duì)器件造成損壞，提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。

1.6 封裝與供電

采用 4mm × 4mm VQFN 封裝，體積小巧，便于在 PCB 上進(jìn)行布局。由 3.3V 單電源供電，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

TUSB1002A 的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，涵蓋了筆記本、臺(tái)式機(jī)、電視、平板電腦、手機(jī)、有源電纜和擴(kuò)展塢等眾多電子設(shè)備。在這些設(shè)備中，TUSB1002A 能夠有效補(bǔ)償 USB 信號(hào)在 PCB 或電纜上傳輸時(shí)的通道損失，提高信號(hào)完整性，確保設(shè)備之間的高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。

三、詳細(xì)說(shuō)明與工作原理

3.1 線性均衡器作用

TUSB1002A 實(shí)現(xiàn)了一款線性均衡器，最高可容許碼間串?dāng)_ (ISI) 引入 16dB 的損耗。當(dāng) USB 信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于通道損耗和碼間串?dāng)_的影響，信號(hào)完整性會(huì)有所降低。線性均衡器能夠?qū)νǖ罁p失進(jìn)行補(bǔ)償，延長(zhǎng)通道傳輸距離，使系統(tǒng)符合 USB 規(guī)范。通過(guò)合理配置線性均衡設(shè)置，可以有效改善信號(hào)質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

3.2 低功耗模式支持

該器件支持 USB3.2 低功耗模式，可進(jìn)一步降低空閑狀態(tài)下的功耗。在設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)，TUSB1002A 能夠自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，減少不必要的能量消耗，提高設(shè)備的能源利用效率。

3.3 引腳配置與功能

TUSB1002A 通過(guò)多個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)各種功能的配置。例如，CH1_EQ1 和 CH1_EQ2 等引腳用于控制 Rx EQ 水平，提供多達(dá) 16 種均衡設(shè)置；CFG1 和 CFG2 引腳可用于調(diào)整輸出電壓擺幅線性范圍和接收器均衡 DC 增益；MODE 引腳用于選擇不同的工作模式，如 USB3.2 雙通道操作、單通道操作、PCIe/SATA/SATA Express 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器操作和基本轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器操作等。這些引腳的靈活配置使得 TUSB1002A 能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，為工程師提供了更多的設(shè)計(jì)選擇。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

4.1 絕對(duì)最大額定值與推薦工作條件

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守 TUSB1002A 的絕對(duì)最大額定值，如控制引腳電壓、存儲(chǔ)溫度等。同時(shí)，要確保器件在推薦工作條件下運(yùn)行，包括環(huán)境溫度、電源電壓、電源噪聲等參數(shù)，以保證器件的性能和可靠性。

4.2 電氣特性與參數(shù)設(shè)置

了解 TUSB1002A 的電氣特性，如不同工作模式下的功耗、輸入輸出電壓范圍、阻抗等參數(shù)，對(duì)于合理設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。例如，在選擇線性范圍和 DC 增益時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和信號(hào)要求進(jìn)行配置，以獲得最佳的信號(hào)傳輸效果。

4.3 布局與布線要求

在 PCB 布局和布線時(shí)，需要遵循一定的規(guī)則。例如，路由 RXP/N 和 TXP/N 對(duì)時(shí)，要保持 90Ω 差分阻抗（±15%），避免與其他高速信號(hào)相互干擾；保持 intra-pair 布線在 2mils 以內(nèi)，減少長(zhǎng)度匹配誤差；盡量減少差分走線中的彎曲，保持左右彎曲數(shù)量相等，彎曲角度 ≥ 135 度，以降低 EMI 影響；控制 VIAS 數(shù)量在 2 個(gè)或更少，避免路由差分對(duì)跨越平面分割等。合理的布局和布線能夠有效提高信號(hào)質(zhì)量，減少信號(hào)干擾和損耗。

4.4 ESD 保護(hù)

由于靜電放電 (ESD) 可能會(huì)損壞 TUSB1002A，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮 ESD 保護(hù)措施。建議選用合適的 ESD 組件，并遵循 ESD 保護(hù)推薦參數(shù)，如擊穿電壓、I/O 線電容、鉗位電壓等。必要時(shí)，可在每個(gè)差分引腳添加 (R_{ESD}) 電阻，以增強(qiáng) ESD 保護(hù)效果。

五、典型應(yīng)用案例分析

5.1 USB3.2 應(yīng)用

在 USB3.2 x1 主機(jī)應(yīng)用中，TUSB1002A 可以補(bǔ)償通道損失，提高信號(hào)完整性。例如，在一個(gè)具體的設(shè)計(jì)案例中，根據(jù)通道的插入損耗，合理配置 CH1_EQ[2:1] 和 CH2EQ[2:1] 引腳的均衡設(shè)置，以匹配通道損耗。同時(shí)，根據(jù)輸入 (V{ID}) 的情況，選擇合適的 DC 增益，確保 (V{OD}) 在 USB 3.2 定義的范圍內(nèi)。在 ESD 保護(hù)方面，遵循相關(guān)推薦，選擇合適的 ESD 組件和 (R{ESD}) 電阻，保障器件的安全運(yùn)行。

5.2 SATA、PCIe 和 SATA Express 應(yīng)用

在 SATA、PCIe 和 SATA Express 應(yīng)用中，TUSB1002A 同樣發(fā)揮著重要作用。當(dāng) MODE 引腳設(shè)置為 “R”，CFG1 引腳設(shè)置為 “0”，CFG2 引腳設(shè)置為 “0” 時(shí)，器件進(jìn)入 PCIe 模式。在這種模式下，需要注意 AC 耦合電容的選擇和使用，對(duì)于支持 SATA 的應(yīng)用，需要添加 ferrite bead 和 49.9Ω 電阻，以解決 SATA 設(shè)備接收器終端檢測(cè)問(wèn)題。同時(shí)，根據(jù)通道損耗情況，合理配置 CH1_EQ[2:1] 和 CH2_EQ[2:1] 引腳的均衡設(shè)置，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

六、總結(jié)與展望

TUSB1002A 作為一款高性能的 USB 3.2 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，憑借其高速傳輸能力、超低功耗架構(gòu)、可調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置和廣泛的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分了解其特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理配置參數(shù)，優(yōu)化布局和布線，采取有效的 ESD 保護(hù)措施，以確保設(shè)備的性能和可靠性。隨著科技的不斷發(fā)展，相信 TUSB1002A 將會(huì)在更多的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用，為高速數(shù)據(jù)傳輸提供更加穩(wěn)定和高效的解決方案。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，是否遇到過(guò)類似器件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎分享您的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。