高速USB 2.0信號隔離切換利器：TS3USB31詳解
高速USB 2.0信號隔離切換利器：TS3USB31詳解
在電子電路的設(shè)計(jì)中，信號的高效切換與隔離是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。尤其是在處理高速USB 2.0信號時(shí)，需要一款性能卓越的開關(guān)來確保信號的穩(wěn)定傳輸。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TS3USB31，一款專門為高速USB 2.0信號切換設(shè)計(jì)的1:1 SPST高帶寬開關(guān)。
文件下載：ts3usb31.pdf
一、TS3USB31簡介
TS3USB31特別針對高速USB 2.0信號的切換進(jìn)行設(shè)計(jì)，擁有雙向切換功能，能讓高速信號幾乎無衰減地通過。它具備低比特間偏移和高通道間噪聲隔離的特性，能夠很好地兼容像高速USB 2.0（480 Mbps）這類的標(biāo)準(zhǔn)。其小尺寸的UQFN封裝，非常適合用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及帶集線器的筆記本電腦等手持設(shè)備或消費(fèi)類產(chǎn)品。
二、性能特點(diǎn)
電源與控制特性
- 寬電壓工作范圍： $V_{CC}$ 可在 3 V 和 4.3 V 下正常工作，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
- 低功耗設(shè)計(jì)：最大功耗僅 1μA，有利于降低系統(tǒng)整體功耗，延長設(shè)備續(xù)航時(shí)間。
- 控制引腳兼容性好：控制引腳輸入與 1.8 - V 兼容，方便與各種控制電路集成。
電氣性能優(yōu)越
- 低導(dǎo)通電阻：最大導(dǎo)通電阻 $r_{on}$ 為 10 Ω，典型值更低，可有效減少信號傳輸過程中的損耗，保證信號的強(qiáng)度和質(zhì)量。
- 低通道匹配偏差： $Delta r_{on}$ 典型值小于 0.35 Ω，確保各個(gè)通道間的信號一致性，減少信號失真。
- 低輸入輸出電容： $C_{io(ON)}$ 典型值為 6 pF，可減少信號傳輸過程中的延遲和衰減，提高信號的傳輸速度和質(zhì)量。
ESD 防護(hù)能力強(qiáng)
按照 JESD 22 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行 ESD 性能測試，具備出色的靜電防護(hù)能力：
- 人體模型（HBM）可達(dá) 6000 - V（A114 - B，Class II）。
- 充電器件模型（CDM）為 1000 - V（C101）。
- 機(jī)器模型（MM）為 250 - V（A115 - A）。
高帶寬特性
典型 - 3 dB 帶寬達(dá)到 1220 MHz，能夠滿足高速 USB 2.0 信號的傳輸要求，確保信號在高頻下能穩(wěn)定傳輸，減少信號失真和干擾。
封裝小巧
采用 8 - 引腳 TQFN（1.5 mm × 1.5 mm）封裝，體積小，占用 PCB 空間少，適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。
三、應(yīng)用場景
TS3USB31主要用于 USB 1.0、1.1 和 2.0 總線的隔離。在實(shí)際應(yīng)用中，該器件可用于隔離不使用的 USB 總線，防止兩個(gè)不同的 USB 設(shè)備相互干擾。例如，在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備中，當(dāng)有多個(gè) USB 接口時(shí)，使用 TS3USB31 可以靈活控制各個(gè)接口的連接和斷開，避免信號干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
四、引腳配置與功能
| PIN 名稱 | 引腳編號 | 輸入/輸出類型 | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| OE | 1 | I | 總線開關(guān)使能引腳。高電平有效時(shí)，將 D + / D - 引腳與 HSD + / HSD - 引腳隔離；低電平有效時(shí)，將 D + / D - 引腳與 HSD + / HSD - 引腳連接。 |
| D + | 3 | I/O | 數(shù)據(jù)端口，用于傳輸 USB 數(shù)據(jù)信號。 |
| D - | 5 | I/O | 數(shù)據(jù)端口，用于傳輸 USB 數(shù)據(jù)信號。 |
| HSD + | 2 | I/O | 數(shù)據(jù)端口，用于高速 USB 數(shù)據(jù)信號傳輸。 |
| HSD - | 6 | I/O | 數(shù)據(jù)端口，用于高速 USB 數(shù)據(jù)信號傳輸。 |
| N.C. | 7 | 無內(nèi)部連接，該引腳應(yīng)懸空或接地。 | |
| GND | 4 | 接地引腳，為芯片提供參考地。 | |
| Vcc | 8 | I/O | 電源電壓引腳，為芯片提供工作電源。 |
五、設(shè)計(jì)與使用建議
電源供應(yīng)
為器件供電通過 $V{CC}$ 引腳，建議在 $V{CC}$ 引腳附近盡可能靠近地放置一個(gè)旁路電容，以平滑低頻噪聲，在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)提供更好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。由于該器件具有掉電隔離功能，允許在器件上電前 D + / - 和 HSD + / - 引腳上存在信號而不損壞器件，因此在系統(tǒng)中不需要與其他器件進(jìn)行電源排序。
布局設(shè)計(jì)
- 電容放置：將電源旁路電容盡可能靠近 $V_{CC}$ 引腳放置，避免將旁路電容放置在 D + 和 D - 走線附近，以減少對信號的干擾。
- 走線長度與阻抗匹配：高速 D + 和 D - 走線應(yīng)始終保持等長，且長度不超過 4 英寸，否則可能會(huì)降低眼圖性能。在布局中，D + 和 D - 走線的阻抗應(yīng)與電纜的特性差分阻抗匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。
- 減少信號反射：使用最少的過孔和拐角來布線高速 USB 信號，以減少信號反射和阻抗變化。當(dāng)必須使用過孔時(shí)，增加過孔周圍的間隙尺寸以減小其電容。
- 避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時(shí)鐘信號發(fā)生器、開關(guān)調(diào)節(jié)器、安裝孔、磁性設(shè)備或使用或復(fù)制時(shí)鐘信號的 IC 下方或附近布線 USB 走線。
- 避免 Stub：避免在高速 USB 信號上出現(xiàn) Stub，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致信號反射。如果無法避免 Stub，則 Stub 長度應(yīng)小于 200 mm。
- 多層板設(shè)計(jì)：由于 USB 信號的高頻特性，建議使用至少四層的印刷電路板，包括兩個(gè)信號層、一個(gè)接地層和一個(gè)電源層。大部分信號走線應(yīng)在單層上運(yùn)行，最好是頂層。緊鄰該層應(yīng)為連續(xù)且無分割的接地平面。
六、規(guī)格參數(shù)
絕對最大額定值
| 參數(shù) | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| $V_{CC}$ 電源電壓 | - 0.5 | 7 | V |
| $V_{IN}$ 控制輸入電壓 | - 0.5 | 7 | V |
| HSD +、HSD - 電壓 | - 0.5 | $V_{CC}$ + 0.3 | V |
| 開關(guān) I/O 電壓（$V_{CC}$ > 0 時(shí) D +、D -） | - 0.5 | $V_{CC}$ + 0.3 | V |
| 開關(guān) I/O 電壓（$V_{CC}$ = 0 時(shí) D +、D -） | - 0.5 | 5.25 | V |
| 控制輸入鉗位電流（$V_{IN}$ < 0） | - 50 | mA | |
| I/O 端口鉗位電流（$V_{I/O}$ < 0） | - 50 | mA | |
| 導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)電流 | ± 64 | mA | |
| 通過 $V_{CC}$ 或 GND 的連續(xù)電流 | ± 100 | mA | |
| 存儲(chǔ)溫度 | - 65 | 150 | °C |
ESD 額定值
| 測試模型 | 數(shù)值 | 單位 |
|---|---|---|
| 人體模型（HBM） | ± 6000 | V |
| 充電器件模型（CDM） | ± 1000 | V |
推薦工作條件
| 參數(shù) | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| $V_{CC}$ 電源電壓 | 3 | 4.3 | V |
| 高電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 3 V 至 3.6 V） | 1.3 | V | |
| 高電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 4.3 V） | 1.7 | V | |
| 低電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 3 V 至 3.6 V） | 0.5 | V | |
| 低電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 4.3 V） | 0.7 | V | |
| 數(shù)據(jù)輸入/輸出電壓 | 0 | $V_{CC}$ | V |
| 工作環(huán)境溫度 | - 40 | 85 | °C |
電氣特性（部分）
| 參數(shù) | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|
| $V_{IK}$ 輸入鉗位電壓 | $V_{CC}$ = 3 V，I = - 18 mA | - 1.2 | V | ||
| $I_{IN}$ 控制輸入電流 | $V{CC}$ = 4.3 V 或 0 V，$V{IN}$ = 0 至 4.3 V | + 1 | μA | ||
| $I_{OZ}$ 開關(guān)關(guān)斷時(shí) I/O 端口電流 | $V{CC}$ = 4.3 V，$V{O}$ = 0 至 3.6 V，$V_{i}$ = 0 | ± 1 | μA | ||
| $I_{OFF}$ D + 和 D - 關(guān)斷電流 | $V{CC}$ = 0 V，$V{O}$ = 0 V 至 4.3 V，$V$ = 0，$V{IN}$ = $V{CC}$ 或 GND | + 2 | μA | ||
| $I_{CC}$ 電源電流 | $V{CC}$ = 4.3 V，$I{IO}$ = 0，開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷 | 1 | μA | ||
| $Delta I_{CC}$ 控制輸入引起的電源電流變化 | $V{CC}$ = 4.3 V，$V{IN}$ = 2.6 V | 10 | μA | ||
| $C_{in}$ 控制輸入電容 | $V{CC}$ = 0 V，$V{IN}$ = $V_{CC}$ 或 GND | 1 | pF | ||
| $C_{i(OFF)}$ 關(guān)斷狀態(tài)輸入/輸出電容 | $V{CC}$ = 3.3 V，$V{io}$ = 3.3 V 或 0，開關(guān)關(guān)斷 | 2 | pF | ||
| $C_{io(ON)}$ 導(dǎo)通狀態(tài)輸入/輸出電容 | $V{CC}$ = 3.3 V，$V{io}$ = 3.3 V 或 0，開關(guān)導(dǎo)通 | 6 | pF | ||
| $r_{on}$ 導(dǎo)通狀態(tài)電阻 | $V{CC}$ = 3 V，$V$ = 0.4 V，$I{O}$ = - 8 mA | 6 | 10 | Ω | |
| $Delta r_{on}$ 通道匹配 | $V{CC}$ = 3 V，$V$ = 0.4 V，$I{O}$ = - 8 mA | 0.35 | Ω | ||
| $r_{on(flat)}$ 導(dǎo)通狀態(tài)電阻平整度 | $V{CC}$ = 3 V，$V{i}$ = 0 V 或 1 V，$I_{O}$ = - 8 mA | 2 | Ω |
七、總結(jié)
TS3USB31 憑借其出色的性能特點(diǎn)、小巧的封裝以及廣泛的應(yīng)用場景，成為高速 USB 2.0 信號隔離與切換的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，只要嚴(yán)格按照推薦的電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)原則進(jìn)行操作，就能充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢，為電子系統(tǒng)帶來更穩(wěn)定、高效的信號傳輸體驗(yàn)。大家在使用過程中如果遇到問題，或者有更好的使用經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評論區(qū)留言交流，共同進(jìn)步！
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