TUSB215：USB 2.0 高速信號調(diào)節(jié)器的卓越之選

在當(dāng)今數(shù)字化飛速發(fā)展的時代，USB 接口作為數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備連接的重要橋梁，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。然而，隨著傳輸距離的增加和信號的衰減，信號質(zhì)量往往會受到影響，從而影響設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。為了解決這一問題，德州儀器（TI）推出了 TUSB215 USB 2.0 高速信號調(diào)節(jié)器，為 USB 高速信號的傳輸提供了可靠的解決方案。

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產(chǎn)品概述

TUSB215 是一款專為補償傳輸通道中的 ISI 信號損失而設(shè)計的 USB 高速（HS）信號調(diào)節(jié)器。它能夠有效幫助設(shè)備通過 USB 電氣合規(guī)性測試，確保信號的完整性和穩(wěn)定性。該器件具有多項出色的特性，使其在眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出。

特性亮點

1. 兼容性強：與 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 兼容，引腳搭接或可通過 I2C 進(jìn)行配置，具有廣泛的適用性。
2. 充電功能：集成 USB BC1.2 充電下行端口（CDP）控制器，可實現(xiàn)充電功能，滿足不同應(yīng)用場景的需求。
3. 信號傳輸支持：支持 LS、FS 和 HS 信號傳輸，且對 USB 低速（LS）和全速（FS）信號無感知，不影響其信號特征，僅對 HS 信號進(jìn)行補償。
4. 低功耗設(shè)計：具備超低 USB 斷開和關(guān)斷功耗，有助于降低設(shè)備的整體功耗，延長電池續(xù)航時間。
5. 可擴展性：提供可擴展解決方案，可用于高損耗應(yīng)用的菊花鏈器件，滿足不同系統(tǒng)的需求。
6. 端口互換性：D1P/M 和 D2P/M 可互換且主機/設(shè)備不可知，增加了設(shè)計的靈活性。
7. 電纜長度支持：支持長達(dá) 5 米的通道前或 2 米的通道后電纜長度，通過外部下拉電阻器實現(xiàn)四種可選交流升壓設(shè)置，結(jié)合直流升壓與交流升壓，可實現(xiàn)最佳信號完整性。

應(yīng)用領(lǐng)域

TUSB215 的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了筆記本電腦、臺式機、擴展塢、平板電腦、手機、有源電纜、電纜擴展器、背板以及電視等眾多設(shè)備。在這些設(shè)備中，TUSB215 能夠有效提升 USB 高速信號的傳輸質(zhì)量，確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。

技術(shù)規(guī)格

絕對最大額定值

• 電源電壓范圍（VCC）：-0.3V 至 6V
• I/O 引腳電壓范圍：-0.3V 至 3.8V
• 存儲溫度（Tstg）：-65℃ 至 150℃

ESD 評級

• 人體模型（HBM）：+2000V
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：+500V

推薦工作條件

• 電源電壓（Vcc）：4.4V 至 5.5V
• 環(huán)境溫度（TA）：TUSB215 為 0℃ 至 70℃，TUSB215I 為 -40℃ 至 85℃
• 結(jié)溫（TJ）：TUSB215 為 0℃ 至 85℃，TUSB215I 為 -40℃ 至 105℃

電氣特性

TUSB215 在不同工作模式下的電流表現(xiàn)如下：

• 高速活動電流（ACTIVE_HS）：典型值為 18mA，最大值為 30mA
• 高速空閑電流（IDLE_HS）：典型值為 13mA，最大值為 22mA
• 高速掛起電流（IsUSPEND_HS）：典型值為 0.76mA，最大值為 1.5mA
• 全速/低速電流（IFS_LS）：典型值為 0.77mA，最大值為 1.5mA
• 斷開電流（DISCONNECT）：典型值為 0.86mA，最大值為 1.5mA
• 禁用電流（IRSTN）：典型值為 22μA，最大值為 80μA

此外，還給出了各引腳的相關(guān)電氣參數(shù)，如輸入電壓、輸入電流、電阻值等，為工程師的設(shè)計提供了詳細(xì)的參考。

開關(guān)特性

• DxP/M 比特率（FBRDXX）：最大值為 480.24Mbps
• DxP/M 上升時間（tRISEDXX）：最小值為 100ps
• DxP/M 下降時間（tFALL_DXX）：最小值為 100ps

功能描述

功能框圖

TUSB215 的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號處理流程。該器件主要由信號調(diào)節(jié)模塊、充電控制模塊、模式檢測模塊等組成，各模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)對 USB 高速信號的補償和處理。

特性詳細(xì)描述

1. EQ 引腳：用于通過外部下拉電阻配置設(shè)備的交流升壓，可實現(xiàn)四種不同的交流升壓級別。在 RSTN 信號釋放時采樣，不識別實時調(diào)整，浮空時自動選擇最大交流升壓級別。
2. DC_BOOST 引腳：為三電平引腳，用于設(shè)置設(shè)備的直流增益。在復(fù)位時為 3 級輸入信號 DC_BOOST，可選擇不同的直流升壓值；復(fù)位后為輸出信號 ENA_HS，指示通道是否處于高速模式。
3. BC1.2 CDP 支持：TUSB215 不僅可以作為信號調(diào)節(jié)器，還能為不具備 USB BC 充電下行端口（CDP）功能的 USB 主機或集線器提供該功能。

設(shè)備功能模式

1. 低速（LS）模式：自動檢測到 LS 連接時，不啟用信號補償，CD 引腳置高。
2. 全速（FS）模式：自動檢測到 FS 連接時，不啟用信號補償，CD 引腳置高。
3. 高速（HS）模式：自動檢測到 HS 連接時，根據(jù) DC_BOOST 引腳的配置和 EQ 引腳的外部下拉電阻啟用信號補償，CD 引腳置高。
4. 關(guān)機模式：當(dāng) RSTN 引腳置低時，設(shè)備禁用。此時 USB 通道仍可正常工作，但無信號補償，CD 引腳無通道狀態(tài)指示。
5. I2C 模式：支持 100kHz 的 I2C 通信，用于設(shè)備配置、狀態(tài)回讀和測試。在 RSTN 信號釋放后，SCL 和 SDA 引腳采樣為高時啟用該模式，可通過 I2C 讀寫操作訪問特定寄存器。

應(yīng)用與實現(xiàn)

應(yīng)用信息

TUSB215 的主要目的是恢復(fù) USB 高速通道到 USB 連接器的信號完整性。由于高損耗 PCB 走線和其他電容性負(fù)載會降低通道帶寬，導(dǎo)致信號質(zhì)量下降，甚至使通道無法通過 USB 近端眼圖掩碼測試。合理使用 TUSB215 可以有效解決這一問題，同時其直流升壓功能有助于克服電纜和走線的直流損耗。此外，TUSB215 的 CD 引腳還可用于控制客戶平臺上的其他模塊，并且提供 CDP 控制器功能。

典型應(yīng)用

典型應(yīng)用中，D2P 和 D2M 面向 USB 連接器，D1P 和 D1M 面向 USB 主機或集線器。當(dāng)然，根據(jù)需求也可將方向反轉(zhuǎn)。設(shè)計時需考慮一些參數(shù)，如電源電壓（Vcc）、是否需要 I2C 支持、交流升壓和直流升壓的設(shè)置等。

詳細(xì)設(shè)計流程

1. 復(fù)位信號：TUSB215 需要有效的復(fù)位信號。若微控制器按推薦驅(qū)動 RSTN 引腳，則無需在該引腳添加電容；否則，需添加外部電容以確保設(shè)備在低功耗復(fù)位狀態(tài)。
2. VREG 引腳：該引腳為內(nèi)部 LDO 輸出，需要連接一個 0.1μF 的外部電容到地，以穩(wěn)定核心電路。
3. 升壓設(shè)置：理想的交流升壓設(shè)置取決于目標(biāo)平臺的信號鏈損耗特性，一般建議從交流升壓級別 0 開始，逐步增加；直流升壓設(shè)置同理，建議預(yù)留更改升壓設(shè)置的焊盤或連接，初始設(shè)置為直流升壓級別 1。為使設(shè)備識別交流和直流升壓設(shè)置的更改，需對 RSTN 引腳進(jìn)行切換操作。
4. 設(shè)備放置：設(shè)備的放置位置取決于應(yīng)用目標(biāo)。若要通過 USB 近端掩碼測試，應(yīng)靠近測量點；若要通過 USB 遠(yuǎn)端眼圖掩碼測試，應(yīng)靠近 USB PHY；若要級聯(lián)多個設(shè)備以改善設(shè)備枚舉，應(yīng)放置在每個 USB 互連的中間位置。

測試流程

在使用示波器合規(guī)軟件構(gòu)建 USB 高速眼圖之前，需遵循以下測試流程：

主機端應(yīng)用

1. 將 TUSB215 配置到所需的交流和直流升壓設(shè)置。
2. 給 TUSB215 上電（若已上電，則切換 RSTN 引腳）。
3. 使用 SMA 電纜將示波器和 USB-IF 主機端測試夾具連接到 TUSB215。
4. 使主機發(fā)送 USB TEST_PACKET。
5. 運行示波器的 USB 合規(guī)軟件。
6. 重復(fù)上述步驟，以不同設(shè)置重新測試 TUSB215。

設(shè)備端應(yīng)用

1. 將 TUSB215 配置到所需的交流和直流升壓設(shè)置。
2. 給 TUSB215 上電（若已上電，則切換 RSTN 引腳）。
3. 將 USB 主機、USB-IF 設(shè)備端測試夾具和 USB 設(shè)備連接到 TUSB215，并將 USB-IF 設(shè)備測試夾具設(shè)置為‘INIT’位置。
4. 讓主機枚舉設(shè)備。
5. 使設(shè)備發(fā)送 USB TEST_PACKET。
6. 使用 SMA 電纜將示波器連接到 USB-IF 設(shè)備端測試夾具，并將設(shè)備端測試夾具設(shè)置為‘TEST’位置。
7. 運行示波器的 USB 合規(guī)軟件。
8. 重復(fù)上述步驟，以不同設(shè)置重新測試 TUSB215。

電源供應(yīng)建議

上電時，RSTN 引腳與上電斜坡的相互作用可能導(dǎo)致數(shù)字電路設(shè)置不正確。為確保數(shù)字電路正確上電復(fù)位，設(shè)備應(yīng)在上電斜坡穩(wěn)定到 4.4V 或更高電壓后再啟用。若微控制器或其他電路無法在上電斜坡穩(wěn)定前將 RSTN 引腳置低，則需在 RSTN 引腳與地之間連接外部電容，使設(shè)備保持在低功耗復(fù)位狀態(tài)。推薦的最小外部電容值可根據(jù)公式 $C_{RSTN}=[Ramp Time × 5] div[500 kΩ]$ 計算。

布局建議

布局指南

為避免信號過孔，建議將高速走線與 TUSB215 放置在同一表層。布局應(yīng)使用阻抗控制走線，以保持整個信號路徑的 90Ω 差分阻抗，遵循高速信號布線的一般準(zhǔn)則。

布局示例

文檔中給出了 TUSB215 的 PCB 布局示例，展示了如何合理安排引腳和走線，以實現(xiàn)良好的信號傳輸和電磁兼容性。

器件和文檔支持

接收文檔更新通知

若要接收文檔更新通知，可導(dǎo)航至 TI.com 上的器件產(chǎn)品文件夾，點擊右上角的“通知我”進(jìn)行注冊，即可每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。詳細(xì)的更改信息可查看修訂文檔中的修訂歷史記錄。

社區(qū)資源

TI 提供了豐富的社區(qū)資源，如 TI E2E? 在線社區(qū)，工程師可在此咨詢問題、分享知識、拓展思路并與同行協(xié)作解決問題。此外，TI 參考設(shè)計支持可幫助快速查找有用的 E2E 論壇、設(shè)計支持工具以及技術(shù)支持的聯(lián)系信息。

商標(biāo)說明

E2E 是德州儀器的商標(biāo)，其他商標(biāo)歸各自所有者所有。

靜電放電警告

靜電放電可能會損壞集成電路，因此在處理 TUSB215 時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，如佩戴防靜電手環(huán)、使用防靜電工作臺等，以避免因靜電放電導(dǎo)致器件損壞。

總結(jié)

TUSB215 作為一款高性能的 USB 2.0 高速信號調(diào)節(jié)器，憑借其出色的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和詳細(xì)的設(shè)計指導(dǎo)，為電子工程師在 USB 高速信號傳輸設(shè)計中提供了可靠的解決方案。無論是在筆記本電腦、臺式機等傳統(tǒng)設(shè)備，還是在新興的智能設(shè)備中，TUSB215 都能發(fā)揮重要作用，幫助工程師解決信號衰減和質(zhì)量下降的問題，提升設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，工程師應(yīng)根據(jù)具體需求合理選擇和配置 TUSB215，結(jié)合其電源供應(yīng)、布局等方面的建議，確保設(shè)計的順利實現(xiàn)。你在使用 TUSB215 過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。