解讀TMUXHS221F：高性能USB 2.0模擬開關的卓越之選

在如今復雜多樣的電子設備應用中，USB接口的使用無處不在，從移動設備到PC、筆記本電腦和各種平板電腦，對USB信號的高效處理和可靠保護需求日益增長。TI推出的TMUXHS221F雙路2:1 USB 2.0復用器/解復用器，憑借其豐富的特性和出色的性能，為USB Type-C系統(tǒng)提供了理想的解決方案。下面我們詳細探討這款產(chǎn)品的特點、應用及相關設計要點。

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一、TMUXHS221F的突出特性

1. 寬供電范圍與靈活開關配置

TMUXHS221F的供電范圍為1.62V至5.5V，能適應多種電源環(huán)境。它具備差分2:1或1:2開關/復用功能，也可作為靈活的雙單端交叉開關，這種靈活的配置方式能滿足不同用戶的多樣化需求。那么，在實際設計中如何根據(jù)具體電路需求選擇合適的開關配置呢，這需要我們對整個系統(tǒng)的信號流向和功能要求有清晰的理解。

2. 強大的過壓保護能力

在常見引腳上具備過壓保護（OVP）功能，能承受高達28V的電壓，絕對最大過壓可達30V，還能耐受IEC - 61000 - 4 - 5浪涌，浪涌電壓可達+35V。這一特性就像給電子設備穿上了一層堅固的鎧甲，有效保護系統(tǒng)免受異常高壓的影響。在一些復雜的電磁環(huán)境中，這種過壓保護能力就顯得尤為重要。

3. 低導通電阻和電容

其最大導通電阻（RON）僅為9Ω ，典型導通電容（CON）為1.3pF，低RON有助于降低信號傳輸過程中的功率損耗，而低CON則能減少信號的衰減和失真，保證信號的高質(zhì)量傳輸。如果你正在設計一個對信號完整性要求極高的電路，這兩個參數(shù)就需要重點關注。

4. 高速帶寬和低功耗模式

該產(chǎn)品的典型帶寬（BW）為1.5GHz，能滿足高速信號傳輸?shù)囊?。同時，它還支持低功耗禁用模式，在不使用時可降低功耗，延長設備的續(xù)航時間。這對于移動設備等對電池續(xù)航敏感的應用來說，是一個非常實用的特性。

5. 靜電放電保護和寬溫度范圍

ESD保護超過JESD 22人體模型（HBM）的2000V標準，能有效抵御靜電對芯片的損害。工作溫度范圍為 - 40°C至125°C，可適應各種惡劣的工作環(huán)境，無論是在寒冷的戶外還是高溫的工業(yè)現(xiàn)場，都能穩(wěn)定工作。

二、應用領域廣泛

TMUXHS221F適用于多種設備和場景，如移動設備、PC、筆記本電腦、平板電腦等，只要是使用USB Type - C或Micro - B連接器的地方都能發(fā)揮其作用。在這些設備中，它可以幫助擴展有限的USB I/O接口，實現(xiàn)信號的靈活路由和切換。例如，當一個USB集線器需要連接多個USB設備時，TMUXHS221F就能通過切換不同的USB總線，實現(xiàn)多個設備與集線器的連接。

三、詳細的引腳配置與功能

TMUXHS221F采用10引腳的UQFN封裝，尺寸僅為1.8mm × 1.4mm，非常適合對空間要求較高的應用。它的引腳包括數(shù)據(jù)信號引腳（D+、D - 、D1+、D1 - 、D2+、D2 - ）、控制引腳（SEL、OEn）、電源引腳（VCC）和接地引腳（GND）。每個引腳都有其特定的功能，通過合理配置這些引腳，可以實現(xiàn)不同的開關功能和信號路由。比如，通過SEL和OEn引腳的不同電平組合，可以控制數(shù)據(jù)信號從哪個端口傳輸?shù)侥膫€端口。

四、全面的規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值

了解產(chǎn)品的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運行至關重要。TMUXHS221F的電源電壓（VCC）范圍為 - 0.5V至6V，輸入/輸出直流電壓（V I/O）在不同引腳有不同的限制，如D±引腳為 - 0.5V至30V，而D1±、D2±引腳為 - 0.5V至6V。在設計電路時，必須嚴格遵守這些參數(shù)，避免因電壓超出范圍而損壞芯片。如果不小心讓芯片承受的電壓超過了絕對最大額定值，會有什么后果呢？很可能會導致芯片永久性損壞，影響整個電路的正常運行。

2. ESD額定值

該產(chǎn)品的人體模型（HBM）靜電放電額定值為±2000V，帶電設備模型（CDM）為±1000V，這表明它具有較好的抗靜電能力。但在實際使用過程中，仍然需要采取適當?shù)撵o電防護措施，如使用防靜電手環(huán)、在防靜電工作臺上操作等，以進一步降低靜電對芯片的影響。

3. 推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為1.62V至5.5V，不同引腳的模擬輸入/輸出電壓和數(shù)字輸入電壓也有相應的范圍要求。在這些推薦條件下工作，芯片能發(fā)揮出最佳性能。如果不按照推薦條件使用，可能會導致芯片性能下降，甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

4. 熱信息

了解芯片的熱信息對于散熱設計非常重要。TMUXHS221F的結到環(huán)境的熱阻（RθJA）為195.1°C/W，結到外殼（頂部）的熱阻（RθJC(top)）為60.5°C/W等。通過合理的散熱設計，如添加散熱片、優(yōu)化PCB布局等，可以確保芯片在工作過程中保持合適的溫度，提高其可靠性和穩(wěn)定性。

5. 電氣特性

在電氣特性方面，包括電源電流、導通電阻、泄漏電流、數(shù)字特性和保護特性等多個參數(shù)。例如，在不同工作模式下，電源電流有所不同，這對于功耗計算和電源設計非常關鍵。導通電阻的大小會影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，而泄漏電流則關系到芯片的靜態(tài)功耗和抗干擾能力。保護特性中的過壓保護閾值和響應時間等參數(shù)，能確保芯片在過壓情況下及時保護系統(tǒng)。

6. 動態(tài)特性

動態(tài)特性參數(shù)包括開關電容、隔離度、串擾、帶寬和插入損耗等。這些參數(shù)反映了芯片在高速信號處理時的性能。例如，低開關電容和高隔離度能減少信號的干擾和衰減，而寬帶寬和低插入損耗則能保證信號的高速、高質(zhì)量傳輸。在設計高速USB電路時，這些動態(tài)特性參數(shù)必須重點考慮。

7. 時序要求

芯片的時序要求包括通道切換時間、設備開啟和關閉時間、信號傳播延遲等。這些參數(shù)對于確保信號的同步和準確傳輸至關重要。在設計電路時，需要根據(jù)系統(tǒng)的時序要求合理設計控制信號的時序，避免因時序不匹配而導致信號傳輸錯誤。

五、參數(shù)測量信息

文檔中還提供了各種參數(shù)的測量方法和測試電路，如導通電阻（RON）、泄漏電流、開關時間、隔離度、串擾、帶寬和插入損耗等參數(shù)的測量。這些測量信息對于驗證芯片的性能和進行電路調(diào)試非常有幫助。在實際測試過程中，我們需要按照這些測量方法和測試電路進行操作，確保測量結果的準確性。

六、典型特性曲線

典型特性曲線展示了導通電阻與輸入電壓、泄漏電流與不同引腳電壓之間的關系。通過這些曲線，我們可以直觀地了解芯片在不同工作條件下的性能變化規(guī)律。例如，從導通電阻與輸入電壓的曲線中，我們可以看到在不同輸入電壓下，導通電阻的變化情況，從而在設計電路時選擇合適的輸入電壓范圍，以保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。那么，如何根據(jù)這些典型特性曲線來優(yōu)化我們的電路設計呢？這就需要我們對這些曲線進行深入分析，結合實際應用需求，做出合理的選擇。

七、詳細功能描述

1. 概述

TMUXHS221F是一款支持1.2V邏輯的雙向低功耗雙端口高速USB 2.0模擬開關，專為USB Type - C系統(tǒng)集成保護功能而設計。它可以作為雙2:1或1:2開關，優(yōu)化USB 2.0 D+/- 線路的復用解決方案，同時也可作為SBU線路的交叉點開關解決方案。這意味著它在USB Type - C系統(tǒng)中具有非常重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)多種信號的靈活處理和切換。

2. 功能框圖

功能框圖清晰地展示了芯片的內(nèi)部結構和信號流向，包括電源、控制邏輯、過壓保護和開關等部分。通過功能框圖，我們可以更好地理解芯片的工作原理，為電路設計和故障排查提供參考。當我們在設計電路時遇到問題，就可以對照功能框圖，分析信號在芯片內(nèi)部的傳輸路徑，找出可能存在的問題。

3. 特性描述

• 擴展的1.2V兼容性：TMUXHS221F具備擴展的1.2V控制邏輯，不僅能與最新一代的低納米制程SoC兼容，還為系統(tǒng)設計師提供了足夠的噪聲裕量，使用起來更加方便。這種兼容性使得它在現(xiàn)代電子設備中具有更廣泛的應用前景。
• 過壓保護：當USB和USB Type - C連接器處出現(xiàn)SBU或D+/- 與VBUS短路的情況時，TMUXHS221F的過壓保護功能會及時打開開關，阻斷28V的高壓，保護系統(tǒng)中的其他組件。這一功能就像一個智能的守護者，確保系統(tǒng)在異常情況下的安全運行。
• 斷電保護：當芯片斷電時，其I/O引腳會保持高阻狀態(tài)，串擾、隔離度和泄漏電流仍符合電氣規(guī)格要求。這可以防止錯誤電壓進入系統(tǒng)，在系統(tǒng)上電時保持隔離狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。

4. 設備功能模式

TMUXHS221F有不同的功能模式，通過SEL和OEn引腳的不同電平組合可以實現(xiàn)不同的復用配置。在SBU和D+/D - 使用場景中，不同的配置可以滿足不同的信號路由需求。例如，在SBU使用場景中，通過不同的配置可以實現(xiàn)SBU1和SBU2與AUXp和AUXn的不同連接方式，從而支持不同的協(xié)議通信。

八、應用與實現(xiàn)

1. 應用信息

在許多USB應用中，USB集線器或控制器的USB I/O接口數(shù)量有限，或者需要將信號從單個USB連接器路由到不同位置。TMUXHS221F可以通過在多個USB總線之間切換，有效地擴展有限的USB I/O接口，實現(xiàn)信號的靈活路由。同時，它的被動復用解決方案可以避免使用端口保護器件，節(jié)省電路板空間。在實際應用中，我們可以根據(jù)具體的需求，選擇合適的復用方式，實現(xiàn)最佳的信號處理效果。

2. 典型應用案例

• SBU開關應用：TMUXHS221F可作為SBU交叉點復用器，通過特定的連接方式，幫助USBC連接器中的SBU引腳實現(xiàn)多種協(xié)議通信，如DisplayPort、Debug、PCIe和音頻編解碼器等。在這個應用中，需要注意SEL和OE引腳不能浮空，否則可能會導致垃圾數(shù)據(jù)傳輸或高電流問題。
• USB/UART開關應用：TMUXHS221F可用于在USB路徑和UART路徑之間切換信號。在設計時，同樣需要遵循USB 1.0、1.1和2.0標準，并且將未使用的引腳通過50Ω電阻接地，以防止信號反射。同時，在VCC引腳附近放置一個100nF的旁路電容器，有助于提高電源的穩(wěn)定性。

3. 電源供應建議

為設備供電時，應通過VCC引腳供電，并遵循USB 1.0、1.1和2.0標準。建議在VCC引腳附近放置一個100nF的旁路電容器，以平滑低頻噪聲，提供更好的負載調(diào)節(jié)能力。這樣可以確保芯片在不同的工作狀態(tài)下都能獲得穩(wěn)定的電源供應，提高其性能和可靠性。

4. 布局設計要點

在PCB布局設計時，需要遵循一系列的指導原則：

• 旁路電容器應盡量靠近VCC引腳放置，避免靠近D±走線，以減少電源噪聲對信號的影響。
• 高速D±走線應匹配，長度不超過4英寸，并且其阻抗應與電纜的特性差分阻抗匹配，以保證信號的完整性。
• 盡量減少高速USB信號的過孔和拐角數(shù)量，以減少信號反射和阻抗變化。如果必須使用過孔，應增加其周圍的間隙，以減小電容。
• 避免在USB走線下方或附近布置晶體、振蕩器、時鐘信號發(fā)生器、開關穩(wěn)壓器、安裝孔、磁性設備或使用時鐘信號的IC，以防止干擾。
• 避免高速USB信號出現(xiàn)短截線，如果無法避免，短截線長度應小于200mm。
• 所有高速USB信號走線應在連續(xù)的接地平面上布線，避免跨越分割平面。如果無法避免跨越分割平面，應使用足夠的去耦措施。
• 由于USB信號頻率較高，建議使用至少四層的印刷電路板，信號層之間通過接地層和電源層分隔，以減少電磁干擾。

九、設備與文檔支持

1. 文檔支持

相關文檔包括TI的USB 2.0電路板設計和布局指南、高速布局指南以及高速接口布局指南等。這些文檔為工程師在設計過程中提供了詳細的參考資料，幫助我們更好地理解和應用TMUXHS221F芯片。

2. 文檔更新通知

通過ti.com上的設備產(chǎn)品文件夾，可以注冊接收文檔更新通知，以便及時了解產(chǎn)品信息的變化。在產(chǎn)品的使用過程中，及時了解文檔的更新內(nèi)容可以幫助我們更好地使用和維護芯片。

3. 支持資源

TI E2E?支持論壇是工程師獲取快速、準確答案和設計幫助的重要途徑，可以在這里搜索現(xiàn)有答案或提出自己的問題。在遇到設計難題時，不妨到這個論壇上尋求幫助，也許能得到專家的寶貴建議。

4. 商標說明和靜電放電注意事項

文檔中對相關商標進行了說明，同時提醒在處理集成電路時要注意靜電放電問題，以避免芯片受到損壞。靜電放電可能會導致芯片性能下降甚至完全損壞，因此在操作過程中必須采取適當?shù)姆漓o電措施。

十、修訂歷史和機械、包裝信息

文檔中記錄了產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊從9月到11月的修訂內(nèi)容，如數(shù)據(jù)手冊狀態(tài)從高級信息更新為生產(chǎn)數(shù)據(jù)，增加了熱信息等。同時，還提供了產(chǎn)品的機械、包裝和可訂購信息，包括不同封裝選項的詳細參數(shù)、載帶和卷盤信息、包裝材料信息以及示例電路板布局、模板設計等。這些信息對于產(chǎn)品的采購、安裝和使用都非常重要。

總之，TMUXHS221F以其豐富的特性、廣泛的應用場景和完善的文檔支持，為電子工程師在USB Type - C系統(tǒng)設計中提供了一個強大而可靠的解決方案。通過深入了解其特點和應用要求，我們可以更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，設計出高性能、高可靠性的電子設備。在實際應用中，你是否遇到過類似芯片在使用過程中的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。