TUSB1210 USB2.0 收發(fā)器芯片：設(shè)計應(yīng)用與技術(shù)詳解

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，USB 接口的廣泛應(yīng)用使得 USB 收發(fā)器芯片成為了關(guān)鍵的組成部分。TUSB1210 作為一款 USB2.0 收發(fā)器芯片，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文將深入介紹 TUSB1210 的特點(diǎn)、應(yīng)用、詳細(xì)規(guī)格以及設(shè)計要點(diǎn)，希望能為電子工程師們在實(shí)際設(shè)計中提供有價值的參考。

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一、TUSB1210 芯片概述

TUSB1210 是一款專門設(shè)計的 USB2.0 收發(fā)器芯片，通過 ULPI 接口與 USB 控制器進(jìn)行連接。它支持 USB2.0 的所有數(shù)據(jù)速率，包括高速 480 Mbps、全速 12 Mbps 和低速 1.5 Mbps，并且兼容主機(jī)和外設(shè)模式。此外，該芯片還支持 UART 模式和傳統(tǒng) ULPI 串行模式，以及 USB 2.0 規(guī)范的 OTG（Ver1.3）可選附錄，包括主機(jī)協(xié)商協(xié)議（HNP）和會話請求協(xié)議（SRP）。

特點(diǎn)總結(jié)

1. 全面的標(biāo)準(zhǔn)兼容性：完全符合 Universal serial bus specification Rev. 2.0、On-the-go supplement to the USB 2.0 specification Rev. 1.3、UTMI+ low pin interface (ULPI) specification Rev. 1.1 以及 ULPI 12 - pin SDR 接口標(biāo)準(zhǔn)。
2. 出色的補(bǔ)償技術(shù)：DP/DM 線外部組件補(bǔ)償技術(shù)（專利號 #US7965100 B1），能夠有效補(bǔ)償串聯(lián)阻抗的變化，匹配數(shù)據(jù)線阻抗和接收器輸入阻抗，減少數(shù)據(jù)反射，改善眼圖。
3. 廣泛的接口支持：可與主機(jī)、外設(shè)和 OTG 設(shè)備核心進(jìn)行接口，特別針對便攜式設(shè)備或內(nèi)置 USB OTG 設(shè)備核心的系統(tǒng) ASIC 進(jìn)行了優(yōu)化。
4. 完善的保護(hù)機(jī)制：具備 $V{BUS}$ 過壓保護(hù)電路，可在 - 2 V 至 20 V 的范圍內(nèi)保護(hù) $V{BUS}$ 引腳；內(nèi)部 5 - V 短路保護(hù)功能，可防止 DP、DM 和 ID 引腳與 $V_{BUS}$ 引腳短路。
5. 靈活的時鐘配置：ULPI 接口的 I/O 接口（1.8 V）針對非端接 50 Ω 線路阻抗進(jìn)行了優(yōu)化；ULPI CLOCK 引腳（60 MHz）支持輸入和輸出時鐘配置；擁有完全可編程的 ULPI 兼容寄存器集。
6. 寬溫度范圍：具有全工業(yè)級的工作溫度范圍，從 - 40°C 到 85°C。
7. 小巧的封裝形式：采用 32 - pin 四方扁平無引腳 [QFN (RHB)] 封裝。

應(yīng)用領(lǐng)域

TUSB1210 的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了移動電話、便攜式計算機(jī)、平板電腦設(shè)備、視頻游戲機(jī)、臺式計算機(jī)以及便攜式音樂播放器等多個領(lǐng)域。

二、詳細(xì)規(guī)格分析

1. 絕對最大額定值

在使用 TUSB1210 時，需要特別注意其絕對最大額定值，以避免對芯片造成永久性損壞。例如，主電池電源電壓范圍為 0 至 5 V，任何輸入引腳的電壓需在 - 0.31x$V{cc}$ + 0.3 至 $V{cc}$ 之間（$V{BAT}$ 輸入、$V{BUS}$、ID、DP 和 DM 焊盤除外），$V_{BUS}$ 輸入范圍為 - 2 V 至 20 V 等。

2. ESD 額定值

該芯片的人體模型（HBM）ESD 額定值為 ±2000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）ESD 額定值為 ±500 V，這表明它具有一定的靜電防護(hù)能力，但在實(shí)際操作中仍需采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。

3. 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電池電源電壓 $V{BAT}$ 在 2.7 V 至 4.8 V 之間，數(shù)字 IO 引腳電源 $V{DDIO}$ 在 1.71 V 至 1.98 V 之間，環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 85°C 等。在這些條件下使用芯片，可以確保其性能的穩(wěn)定性和可靠性。

4. 熱信息

了解芯片的熱信息對于散熱設(shè)計至關(guān)重要。TUSB1210 的結(jié)到環(huán)境熱阻 $R{θJA}$ 為 34.72 °C/W，結(jié)到外殼（頂部）熱阻 $R{θJC(top)}$ 為 37.3 °C/W，結(jié)到電路板熱阻 $R_{θJB}$ 為 10.3 °C/W 等。通過合理的散熱設(shè)計，可以有效降低芯片的工作溫度，提高其性能和壽命。

5. 電氣特性

芯片的電氣特性包括模擬 I/O 電氣特性、數(shù)字 I/O 電氣特性、PHY 電氣特性、上拉/下拉電阻、OTG 電氣特性、OTG ID 電氣特性、電源特性、開關(guān)特性和時序要求等多個方面。這些特性詳細(xì)描述了芯片在不同工作條件下的電氣性能，對于電路設(shè)計和調(diào)試具有重要的指導(dǎo)意義。

三、功能模塊與工作模式

1. 處理器子系統(tǒng)

時鐘規(guī)格

• USB PLL 參考時鐘：USB PLL 模塊生成用于同步 ULPI 接口（60 MHz 時鐘）和 USB 接口（根據(jù) USB 數(shù)據(jù)速率，分別為 480 Mbps、12 Mbps 或 1.5 Mbps）的時鐘。TUSB1210 需要一個外部參考時鐘作為 480 MHz USB PLL 模塊的輸入，該參考時鐘可以通過 REFCLK 引腳或 CLOCK 引腳提供。
• ULPI 輸入時鐘配置：在這種模式下，REFCLK 必須外部接地，CLOCK 保持為輸入。當(dāng) 60 MHz ULPI 時鐘通過 Clock 引腳提供給 TUSB1210 時，它將作為 480 MHz USB PLL 模塊的參考時鐘。
• ULPI 輸出時鐘配置：在這種模式下，需要在 REFCLK 引腳外部提供一個參考時鐘。當(dāng)在 REFCLK 引腳檢測到輸入時鐘時，CLK 將自動變?yōu)檩敵?。TUSB1210 支持兩種參考時鐘輸入頻率，通過配置引腳 CFG 進(jìn)行通信。
• 32 kHz 時鐘：內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個運(yùn)行在 32 kHz 的時鐘發(fā)生器，為系統(tǒng)提供低速、低功耗的時鐘。
• 復(fù)位機(jī)制：當(dāng) $CS = 0$ 或 $V{BAT}$ 不存在時，所有邏輯將被復(fù)位；當(dāng) $V{DDIO}$ 不存在時，除 32 kHz 邏輯外的所有邏輯將被復(fù)位；當(dāng)任何電源（$V{DDIO}$、$V{DD15}$、$V{DD18}$ 和 $V{DD33}$）不存在或 RESETB 引腳為低電平時，PHY 邏輯將被復(fù)位。

2. USB 收發(fā)器

TUSB1210 設(shè)備包含一個通用串行總線（USB）即插即用（OTG）收發(fā)器，支持 USB 480 Mb/s 高速（HS）、12 Mb/s 全速（FS）和 USB 1.5 Mb/s 低速（LS）數(shù)據(jù)傳輸。需要注意的是，由于 USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，TUSB1210 不支持 LS 設(shè)備模式。

3. 設(shè)備功能模式

TUSB1210 具有多種功能模式，包括 ULPI 同步模式上電、USB 掛起模式、ULPI 6 - pin 串行模式和 UART 模式等。在不同的模式下，各個 ULPI 引腳的狀態(tài)和功能會有所不同，工程師們需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理的配置。

四、寄存器映射

TUSB1210 擁有豐富的寄存器，包括 VENDOR_ID_LO、VENDOR_ID_HI、PRODUCT_ID_LO、PRODUCT_ID_HI 等。這些寄存器可以用于控制 UTMI 功能設(shè)置、啟用替代接口和 PHY 功能、控制 UTMI + OTG 功能以及管理中斷事件等。通過對寄存器的合理配置，可以實(shí)現(xiàn)芯片的各種功能。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用

主機(jī)或 OTG，ULPI 輸入時鐘模式應(yīng)用

在這種應(yīng)用模式下，需要將 60 MHz ULPI 時鐘由鏈路處理器提供。設(shè)計參數(shù)包括 $V{BAT}$ 為 3.3 V、$V{DDIO}$ 為 1.8 V、$V_{BUS}$ 為 5.0 V 等。在連接 TUSB1210 設(shè)備時，需要遵循相應(yīng)的設(shè)計要求和詳細(xì)設(shè)計步驟，同時注意未使用引腳的連接方式。

設(shè)備，ULPI 輸出時鐘模式應(yīng)用

在該模式下，60 MHz ULPI 時鐘由 TUSB1210 提供，而鏈路處理器或其他外部電路提供 REFCLK。同樣，需要根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)備連接和未使用引腳的處理。

2. 外部組件

TUSB1210 需要一些外部組件來保證其正常工作，如 $V{DDIO}$ 電容、$V{DD33}$ 電容、$V{DD15}$ 電容、$V{DD18}$ 電容、$V{BAT}$ 電容和 $V{BUS}$ 電容等。這些組件的參數(shù)和連接方式對于芯片的性能和穩(wěn)定性有著重要的影響。

六、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

$V{BUS}$、$V{BAT}$ 和 $V{DDIO}$ 是為 TUSB1210 供電所必需的。建議在 $V{BAT}$ 存在之后再施加 $V{DDIO}$，因?yàn)?$V{DDIO}$ 到 $V{BAT}$ 之間存在一個二極管，當(dāng) $V{DDIO}$ 存在而 $V{BAT}$ 不存在時，該二極管會正向偏置。此外，芯片的不同引腳分別提供不同的電源，如 $V{DDIO}$ 引腳提供 1.8 V 電源，$V{BAT}$ 引腳提供 3.3 V 電源，$V{BUS}$ 引腳提供 5.0 V 電源。

2. 布局建議

在 PCB 布局方面，需要遵循一系列的原則。例如，USB 設(shè)計需要對稱端接和對稱組件放置；應(yīng)將 USB 主機(jī)控制器和主要組件先放置在未布線的電路板上，并盡量靠近收發(fā)器設(shè)備，以縮短 ULPI 接口走線長度；優(yōu)先布線高速時鐘和高速 USB 差分對，避免長走線；保持高速時鐘/周期性信號與高速 USB 差分對以及任何離開 PCB 的連接器之間的最大距離等。

七、總結(jié)

TUSB1210 作為一款功能強(qiáng)大的 USB2.0 收發(fā)器芯片，具有豐富的功能和出色的性能。在實(shí)際設(shè)計中，電子工程師們需要深入了解其特點(diǎn)、規(guī)格、功能模塊、寄存器映射以及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)等方面的知識，合理選擇和配置芯片的各種參數(shù)，遵循電源供應(yīng)和布局建議，以確保設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性。同時，在使用過程中，還需要注意靜電放電保護(hù)等問題，避免對芯片造成損壞。希望本文能夠?yàn)殡娮庸こ處焸冊?TUSB1210 的設(shè)計應(yīng)用中提供有益的幫助。

你在使用 TUSB1210 芯片的過程中遇到過哪些問題呢？或者對于芯片的某些特性有更深入的見解，歡迎在評論區(qū)分享交流！