HD3SS2522：USB Type - C SS MUX 與 DFP 控制器的深度解析

在當(dāng)今電子設(shè)備飛速發(fā)展的時(shí)代，USB Type - C 接口因其強(qiáng)大的功能和便捷性，已經(jīng)成為了各類設(shè)備的主流配置。而 HD3SS2522 作為一款專門針對(duì) USB Type - C 設(shè)計(jì)的 2:1 USB 多路復(fù)用器（mux），搭配配置通道（CC）邏輯和下游面對(duì)端口（DFP）支持，在 USB Type - C 應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。下面，我們就來深入了解一下這款器件。

文件下載：hd3ss2522.pdf

一、關(guān)鍵特性

1. 規(guī)范兼容性

HD3SS2522 完全符合 USB Type - C 規(guī)范 1.1 模式配置。其 CC 邏輯塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測 CC1 和 CC2 引腳的電壓，精準(zhǔn)判斷 USB 端口是否已連接。一旦檢測到連接，還能迅速確定電纜的方向，并相應(yīng)地配置 USB 高速信號(hào)多路復(fù)用器。

2. 電源管理功能

該器件提供 VBUS_EN 信號(hào)，可用于控制傳統(tǒng)電源開關(guān)，為 VBUS 提供 5V 電源。同時(shí)，它還提供必要的控制信號(hào)，以支持為實(shí)現(xiàn) USB Type - C 的生態(tài)系統(tǒng)提供 5V VCONN 電源。

3. 高速信號(hào)處理能力

它是一款針對(duì) USB 3.1 信號(hào)的 2:1 mux 解決方案，最高可支持 10Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，擁有 8GHz 的 - 3dB 寬帶寬。在 2.5GHz 時(shí)具有出色的動(dòng)態(tài)特性，如串?dāng)_為 -39dB，關(guān)斷隔離為 -22dB，插入損耗為 -1.2dB，輸入回波損耗為 -12dB。這些特性使得該器件在高速切換時(shí)，對(duì)信號(hào)眼圖的衰減最小，且引入的抖動(dòng)極小。

4. 低功耗設(shè)計(jì)

HD3SS2522 具有低功耗的特點(diǎn)，其工作功耗僅為 2mW，待機(jī)功耗更是低至 50μW。

二、應(yīng)用場景

HD3SS2522 適用于多種場景，特別是在桌面和筆記本電腦的 USB Type - C DFP 應(yīng)用以及主板設(shè)計(jì)中，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為設(shè)備的 USB Type - C 接口提供可靠的信號(hào)切換和電源管理功能。

三、詳細(xì)規(guī)格

1. 絕對(duì)最大額定值

電源電壓范圍為 -0.4V 至 4V，差分 I/O（高帶寬信號(hào)路徑）的電壓范圍為 -0.4V 至 2.4V，控制引腳和單端 I/O（包括 CC1 和 CC2）的電壓范圍為 -0.4V 至 VCC + 0.4V。需要注意的是，超過這些絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

2. ESD 額定值

人體模型（HBM）的靜電放電額定值為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）的靜電放電額定值為 ±500V。

3. 推薦工作條件

推薦的電源電壓為 3V 至 3.6V，控制/狀態(tài)引腳的輸入高電壓為 2V 至 VCC，輸入低電壓為 -0.1V 至 0.8V，開關(guān) I/O 差分電壓為 0 至 1.6VPP，開關(guān) I/O 共模電壓為 0 至 2V，CC_OUT、CC_IN 和所選 CC 引腳的輸入/輸出電壓為 0 至 VCC，所選 CC 引腳的輸入電壓為 0 至 5.5V，工作環(huán)境溫度范圍為 0°C 至 70°C。

4. 電氣特性

在電源電壓為 3.6V 且 SS_OEn、CC_OEn 接地時(shí)，電源電流為 0.6 - 1mA；在電源電壓為 3.3V 且 SS_OEN、CC_OEn 接 VCC 時(shí)，待機(jī)電流為 15μA。此外，還給出了輸入閾值電壓、輸入電壓滯后、上拉/下拉電阻、輸入電容、高阻抗泄漏電流等電氣參數(shù)。

5. 時(shí)序要求

高速信號(hào)路徑的開關(guān)傳播延遲最大為 85ps，SS_SEL_IN 到開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為 70 - 250ns，關(guān)斷時(shí)間也為 70 - 250ns。

6. 開關(guān)特性

在 2.5GHz 時(shí)，通道間的輸出對(duì)間偏斜最大為 20ps，位間偏斜最大為 8ps，輸出導(dǎo)通電容為 1.5pF，輸出關(guān)斷電容為 1pF，輸出導(dǎo)通電阻為 5 - 8Ω，導(dǎo)通電阻匹配在通道間最大為 2Ω，同一通道內(nèi)的對(duì)間導(dǎo)通電阻匹配為 0.7Ω，導(dǎo)通電阻平坦度最大為 1.15Ω。不同頻率下的差分輸入回波損耗、差分串?dāng)_、差分關(guān)斷隔離和差分插入損耗也有明確的規(guī)定，帶寬在 3dB 時(shí)為 6GHz。

四、功能模塊與工作模式

1. 功能模塊概述

HD3SS2522 內(nèi)部集成了 USB 3.1 2:1 無源 MUX，具備自適應(yīng)共模跟蹤功能，允許 RX 和 TX 通道具有不同的共模電壓，簡化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2. 關(guān)鍵功能特性

• DFP - to - UFP 連接/斷開檢測：作為 Type - C DFP 端口，HD3SS2522 會(huì)持續(xù)監(jiān)測 CC 線。當(dāng)檢測到其中一個(gè) CC 線與地之間存在電阻時(shí)，就會(huì)判定有 UFP 連接，并在 UFP 連接時(shí)提供模擬 ID 信號(hào)（VBUS_EN）。同時(shí)，它還會(huì)根據(jù) Type - C 規(guī)范監(jiān)測指定的下拉電阻，以確定是否連接了有源電纜，并在檢測到有源電纜時(shí)，為 VCONN 開關(guān)提供必要的控制信號(hào)，向相應(yīng)的 CC 引腳提供 5V VCONN 電源。
• 插頭方向/電纜扭轉(zhuǎn)檢測：根據(jù) USB Type - C 規(guī)范，插頭可以以兩種方向插入插座。HD3SS2522 通過監(jiān)測連接的 UFP 端口的下拉電阻來確定 MUX 的方向。
• VBUS 故障處理：在發(fā)生 VBUS 故障時(shí)，HD3SS2522 本身不會(huì)采取任何行動(dòng)，需要傳統(tǒng)的電源管理實(shí)現(xiàn)來處理該故障。
• VCONN 故障處理：如果外部電源開關(guān)檢測到 VCONN 故障，并通過 VCONN_FAULT 引腳將其輸入到器件中，若故障在 5ms 內(nèi)未清除，HD3SS2522 將鎖定該故障，直到電纜拔出。

3. 工作模式

• 未連接 DFP 狀態(tài)：在此狀態(tài)下，HD3SS2522 作為 DFP 端口，正在等待檢測 UFP 的存在。此時(shí)，器件會(huì)向兩條 CC 線注入上拉電流。
• 已連接 DFP 狀態(tài)：當(dāng) HD3SS2522 處于此狀態(tài)時(shí)，端口已連接并作為 DFP 運(yùn)行。器件會(huì)繼續(xù)監(jiān)測 CC 引腳，確保所選引腳的電壓在 Type - C 規(guī)范規(guī)定的 vRd 范圍內(nèi)。同時(shí)，它會(huì)在其中一個(gè) CC 引腳上提供電流并監(jiān)測其電壓，并根據(jù) GPIO 引腳 IMODE1 和 IMODE2 的設(shè)置，按照 Type - C 規(guī)范宣傳三種 VBUS 電源能力等級(jí)之一。如果未使用的 CC 引腳的電壓在 Type - C 規(guī)范規(guī)定的 vRa 范圍內(nèi)，器件會(huì)控制 VCONN 電源開關(guān)，將 VCONN 電源施加到該引腳上。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 應(yīng)用信息

HD3SS2522 是一款集成了 DFP CC 控制器的高速開關(guān)，可與 VBUS 和 VCONN 開關(guān)配合使用，應(yīng)用于任何 USB Type - C DFP 應(yīng)用中。

2. USB Type - C DFP 典型應(yīng)用

在典型的 Type - C 系統(tǒng)中，與 USB 主機(jī)或集線器配合使用時(shí)，Type C 插座僅作為 DFP，在連接 UFP 設(shè)備時(shí)提供 VBUS 和 VCONN 電源。HD3SS2522 DFP CC 控制器會(huì)根據(jù) Type - C 規(guī)范的狀態(tài)圖和時(shí)序定義，確定 UFP 的連接情況，并提供相應(yīng)的電源。在設(shè)計(jì)過程中，需要注意一些參數(shù)的設(shè)置，如 VCC 為 3.3V，AxP/N、BxP/N、CxP/N 的 VCM 電壓為 0V - 2V，CC_IN、CC_OUT、CC1、CC2 的電壓為 0V - 3.3V，控制引腳的低電平最大電壓為 0.8V，高電平最大電壓為 2V。

3. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• USB Type - C 電流宣傳：HD3SS2522 可與連接到 CC1 和 CC2 引腳的上拉電阻配合使用，用于宣傳 USB Type - C 電流。這些上拉電阻必須符合 Type C 規(guī)范要求，并且 IMODE1 和 IMODE2 的設(shè)置必須與當(dāng)前模式（默認(rèn)、中等或高）的 CC 電阻配置相匹配。
• VCONN 和 VBUS 電源開關(guān)控制：VCTRL1# 和 VCTRL2# 是 HD3SS2522 CC 控制器的輸出，用于根據(jù)方向檢測、音頻附件終端 Ra 檢測和/或故障條件來啟用或禁用 VCONN 開關(guān)。VBUS_EN 是 HD3SS2522 CC 控制器的輸出，用于啟用 VBUS 開關(guān)。當(dāng)檢測到 UFP 連接時(shí)，VBUS_EN 會(huì)被置位以啟用 VBUS 開關(guān)。
• 固件可升級(jí)性：如有必要，CC 控制器的固件（FW）可以通過 GPIO1、GPIO2 和 SYS_COM_REQ 進(jìn)行更新。如需進(jìn)一步協(xié)助升級(jí)固件，可聯(lián)系德州儀器。

六、電源與布局建議

1. 電源建議

HD3SS2522 對(duì)電源沒有特殊要求，只要電源在推薦范圍內(nèi)即可。同時(shí)，該器件也沒有特殊的復(fù)位要求。

2. 布局指南

• 關(guān)鍵布線：高速差分信號(hào)的布線需要格外小心，應(yīng)遵循文檔中的指導(dǎo)原則，以最小化連接器與高速信號(hào)源或接收器之間的信號(hào)質(zhì)量下降。每個(gè)差分對(duì)應(yīng)一起布線，控制差分阻抗在 85 - 90Ω，共模阻抗為 50Ω，避免與其他高速信號(hào)干擾，盡量減少過孔數(shù)量，相鄰差分對(duì)之間應(yīng)至少保持 3 倍信號(hào)走線寬度的距離，差分對(duì)應(yīng)在同一組層（外層或內(nèi)層）布線，避免 90 度轉(zhuǎn)彎，若需彎曲，角度應(yīng)大于 135 度。此外，高速差分對(duì)的長度應(yīng)保持在 5 密耳以內(nèi)，以最小化對(duì)內(nèi)偏斜，SSTX 和 SSRX 對(duì)應(yīng)盡量短。高速差分對(duì)走線應(yīng)靠近接地平面，避免跨越平面分割。ESD 組件應(yīng)放置在高速差分通道上最靠近連接器的位置，且在差分路徑上無短截線。為便于布線，USB3.1 差分對(duì)的 P 和 N 連接到 HD3SS2522 引腳的方式可以互換。
• 一般布線/放置規(guī)則：在未布線的 PCB 上，應(yīng)優(yōu)先布線所有高速信號(hào)。USB2 D + 和 D - 對(duì)的短截線不應(yīng)超過 3.5mm。應(yīng)遵循 20H 規(guī)則（H 為到參考平面的距離），將高速走線與平面邊緣隔開。應(yīng)盡量減少高速時(shí)鐘和其他周期性信號(hào)走線與高速線的平行度。所有差分對(duì)應(yīng)盡可能在頂層或底層（微帶線）布線，或在同一組層布線。過孔僅應(yīng)在器件的引出區(qū)域必要時(shí)用于從頂層到底層的布線，應(yīng)盡量避免在電路板的主要區(qū)域使用過孔。在信號(hào)過孔旁邊應(yīng)使用接地參考過孔，并計(jì)算接地參考過孔與信號(hào)之間的距離，以確保與走線具有相似的阻抗。所有差分信號(hào)不應(yīng)跨越平面分割，更改信號(hào)層優(yōu)于跨越平面分割。當(dāng)無法避免跨越分割平面時(shí)，應(yīng)使用并正確放置縫合電容，以考慮高頻回流路徑。差分走線應(yīng)在連續(xù)的平面上布線，無中斷。不應(yīng)在電源連接器、其他接口連接器、晶體、振蕩器或任何磁源下方布線差分走線。走線應(yīng)遠(yuǎn)離蝕刻區(qū)域，如焊盤、過孔和其他信號(hào)走線，盡量保持 20 密耳的隔離距離。去耦電容應(yīng)放置在 HD3SS2522 的每個(gè)電源端子旁邊，應(yīng)注意最小化連接電容與電源引腳的走線短截線長度。應(yīng)避免多個(gè)去耦電容共享過孔，過孔應(yīng)盡可能靠近去耦電容的焊盤。應(yīng)加寬 VCC/GND 平面，以減少靜態(tài)和動(dòng)態(tài) IR 降的影響。VBUS 走線/平面應(yīng)足夠?qū)?，以承載應(yīng)用所需的最大電流。

七、總結(jié)

HD3SS2522 憑借其豐富的功能、出色的性能和低功耗設(shè)計(jì)，為 USB Type - C DFP 應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)其規(guī)格和特性，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和 PCB 布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在使用 HD3SS2522 過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。