TSU6721YFF：高性能USB端口多媒體開關的全方位解析

在當今的電子設備中，多功能的接口需求日益增長，一個能夠高效處理多種信號的開關設備顯得至關重要。德州儀器（TI）的TSU6721YFF就是這樣一款高性能的USB端口多媒體開關，它在眾多電子設備的設計中發(fā)揮著關鍵作用。今天，我們就來深入探討一下這款設備的特性、參數(shù)、工作模式以及設計注意事項。

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一、產(chǎn)品概述

TSU6721YFF具備自動切換和附件檢測功能，能夠?qū)⒁粋€通用USB端口連接起來，以傳輸音頻、USB數(shù)據(jù)、充電、OTG和工廠模式信號。該設備的音頻通道具有處理負信號的能力，涵蓋了左聲道（單聲道/立體聲）、右聲道（立體聲）以及麥克風信號。此外，它還兼容MCPC規(guī)范，可檢測各種連接到USB連接器的附件。

二、關鍵特性剖析

（一）開關矩陣

1. 信號切換支持：提供了豐富的開關功能，包括支持USB 2.0 HS的USB和UART切換、具有負信號能力的音頻切換、ID旁路切換、VBUS到MIC切換以及DP到MIC切換，以滿足MCPC規(guī)范的需求。
2. 負載開關特性：配備100 mΩ的負載開關，支持OTG功能，具備28 V VBUS額定電壓和過壓保護功能，同時還有可編程的過流限制器/保護，能有效保護設備免受電壓和電流異常的影響。

（二）充電器檢測

1. 兼容性廣泛：符合USB BCDv1.2標準，能夠檢測多種類型的充電器，如USB充電器（DCP、CDP）、蘋果充電器等，還能檢測USB數(shù)據(jù)端口、帶MIC和遠程控制的音頻耳機等附件。
2. 多方面檢測：通過VBUS檢測、數(shù)據(jù)觸點檢測、主輔檢測等方式，確保準確識別不同類型的充電器和附件。

（三）其他特性

1. 控制方式多樣：支持通過I2C接口與主機處理器通信，開關可通過自動檢測或手動控制，還能為插拔操作生成中斷信號，方便系統(tǒng)進行相應的處理。
2. ESD性能出色：經(jīng)過JESD 22標準測試，具備4000 - V人體模型（A114 - B，Class II）和1500 - V帶電設備模型（C101）的ESD防護能力，IEC ESD性能達到±8 kV接觸放電（IEC 61000 - 4 - 2），增強了設備的可靠性和穩(wěn)定性。

三、電氣參數(shù)解讀

（一）絕對最大額定值

文檔中給出了一系列的絕對最大額定值，如VBUS、VBAT、VDDIO等引腳的電壓范圍，以及各引腳的電流限制等。這些參數(shù)為設計者提供了明確的邊界，確保在使用過程中不會因電壓或電流超過規(guī)定值而損壞設備。例如，VBUS的輸入電壓范圍為 - 0.5 V至28 V，在設計外部電源和充電電路時，必須嚴格保證VBUS的電壓在這個范圍內(nèi)。

（二）推薦工作條件

規(guī)定了設備正常工作時的參數(shù)范圍，如VBUS電壓為4.0 - 6.5 V，VBAT電壓為3.0 - 4.4 V等。在實際設計中，應盡量使設備工作在推薦的條件下，以保證其性能的穩(wěn)定性和可靠性。如果VBAT電壓超出了推薦范圍，可能會導致設備的某些功能異常或縮短設備的使用壽命。

（三）典型特性總結

從通道數(shù)量、導通電阻、帶寬、隔離度等多個方面對USB/UART路徑、音頻路徑和MIC路徑的典型特性進行了總結。例如，USB/UART路徑的導通電阻為6Ω/7Ω，帶寬達到510 MHz；音頻路徑的導通電阻為2.5Ω，隔離度為 - 100 dB等。這些參數(shù)有助于設計者在不同的應用場景中評估設備的性能，選擇合適的信號路徑。

四、工作模式詳解

（一）待機模式

這是設備上電后的默認模式，在未檢測到附件時處于該模式。在此模式下，通過比較器持續(xù)監(jiān)測VBUS和ID線路，以確定是否有附件插入，同時功耗極低，有助于節(jié)省能源。

（二）負載開關工作

1. 過壓保護：當輸入電壓超過VOVP時，內(nèi)部負載開關迅速關閉（響應時間小于1μs），并設置OVP_EN中斷位。當電壓恢復正常后，經(jīng)過一段去毛刺時間tON(OVP)，開關再次打開，確保輸入電源穩(wěn)定后再進行供電。
2. 欠壓保護：當VBUS不存在且VBAT小于2.5 V時，設備因電壓低于欠壓閾值而斷電，保護設備免受低電壓的損害。
3. 過流限制保護：當電流超過IOCP閾值時，啟動超時延遲。如果延遲結束后電流仍大于IOCP，負載開關將被禁用，最大電流由IOC??L限制。通過I2C可對過流水平進行編程，靈活應對不同的充電需求。

（三）附件ID檢測

通過對ID引腳的阻抗檢測來識別不同的附件。當VBUS為高且連接的是非合規(guī)充電器時，確定ID引腳的阻抗；當VBUS為低且有附件連接時，使用ADC進行阻抗傳感以識別附件類型和遙控按鍵。每個附件通過連接在ID引腳和地之間的唯一電阻值進行標識，通過施加電流源和內(nèi)部電壓參考來生成對應的5位ADC值，實現(xiàn)準確的附件識別。

五、I2C接口及寄存器

（一）I2C通信原理

TSU6721YFF采用標準的I2C接口進行通信，通過SCL（串行時鐘）和SDA（串行數(shù)據(jù)）線進行數(shù)據(jù)傳輸。通信過程包括起始條件、設備地址發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸和停止條件等步驟。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要先發(fā)送設備從地址并設置LSB為邏輯0，然后發(fā)送命令字節(jié)確定要訪問的寄存器，最后寫入數(shù)據(jù)；讀取數(shù)據(jù)時，類似地先發(fā)送從地址和命令字節(jié)，然后重新發(fā)送從地址并設置LSB為邏輯1，接收寄存器中的數(shù)據(jù)。

（二）寄存器映射

文檔詳細列出了多個I2C寄存器，每個寄存器具有不同的功能和位定義。例如，設備ID寄存器用于識別設備的版本和供應商信息；控制寄存器可用于設置設備的工作模式，如MCPC模式、開關自動/手動控制、中斷屏蔽等；中斷寄存器用于指示各種事件的發(fā)生，如附件插入/拔出、按鍵按下/釋放、過壓/過流保護等。通過合理配置這些寄存器，可以實現(xiàn)對設備的精確控制和狀態(tài)監(jiān)測。

六、設計注意事項

（一）關鍵組件選擇

1. 電容選擇：VBUS、VDDIO和VBAT引腳需要配備去耦電容，0.1μF電容用于平滑高頻噪聲，1μF - 10μF電容用于平滑低頻噪聲，兩者結合可在全頻段提供更好的負載調(diào)節(jié)。OUT引腳需要一個10μF的負載電容，以防止充電時引腳電壓突然升高。
2. 電阻選擇：JIG、SCL、SDA等引腳需要連接1kΩ - 10kΩ的上拉電阻，確保信號的穩(wěn)定性；MIC引腳需要一個2.2kΩ的上拉電阻提供直流偏置，同時還需要一個10μF的電容來阻擋直流信號。
3. ESD保護：VBUS、DM、DP和ID引腳建議使用外部ESD保護二極管，以防止超過6kV IEC接觸放電的損壞，提高設備的抗干擾能力。

（二）PCB布線指導

1. USB信號完整性：所有USB線路（如DP_CON、DM_CON、DP_HT、DM_HT、TxD和RxD）需要具有45Ω單端特性阻抗和90Ω差分阻抗，以滿足USB 2.0的要求。盡量減少USB相關信號的過孔使用，確保差分傳輸線路盡量匹配，以優(yōu)化USB 2.0性能。
2. 設備布局：TSU6721應盡量靠近USB連接器，且與USB控制器的距離小于1英寸，以減少雜散噪聲的影響和EMI輻射。

七、總結

TSU6721YFF作為一款高性能的USB端口多媒體開關，憑借其豐富的功能、出色的電氣性能和可靠的保護機制，在手機、平板電腦、數(shù)碼相機等眾多電子設備中具有廣泛的應用前景。在設計過程中，工程師需要充分了解其特性和參數(shù)，合理選擇關鍵組件，遵循PCB布線指導，以確保設備的性能和穩(wěn)定性。同時，通過對I2C接口和寄存器的靈活配置，可以實現(xiàn)對設備的個性化控制和功能擴展。你在使用TSU6721YFF的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。