高速USB信號切換的利器：TS3USB221詳解

在電子設(shè)備設(shè)計領(lǐng)域，高速信號的切換與傳輸一直是工程師們關(guān)注的重點。特別是在USB接口廣泛應(yīng)用的今天，如何高效、穩(wěn)定地切換USB信號成為了一個關(guān)鍵問題。TI公司的TS3USB221高速USB 2.0（480Mbps）1:2復(fù)用器或解復(fù)用器開關(guān)，為解決這一問題提供了優(yōu)秀的解決方案。

文件下載：ts3usb221.pdf

特性亮點

電氣性能優(yōu)越

TS3USB221的工作電壓范圍為2.3V至3.6V，V1/O能接受高達(dá)5.5V的信號，控制引腳輸入與1.8V兼容。在低功耗方面表現(xiàn)出色，當(dāng)OE禁用時進(jìn)入低功耗模式，電流僅為1μA，最大功耗僅30μA。其導(dǎo)通電阻 (R{ON}) 最大為6Ω，典型 (Delta r{ON}) 為0.2Ω，(C_{IO(ON)}) 最大為6pf，這些參數(shù)確保了信號傳輸?shù)牡蛽p耗和高穩(wěn)定性。

ESD防護(hù)能力強

該器件的ESD（靜電放電）防護(hù)能力大于2000V（人體模型HBM），能有效抵抗靜電干擾，提高了設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。

高帶寬設(shè)計

具有典型1GHz的高帶寬，能夠讓信號以最小的邊緣和相位失真通過，非常適合高速USB 2.0信號的切換。

應(yīng)用場景廣泛

USB信號路由

可用于USB 1.0、1.1和2.0信號的路由，在移動行業(yè)處理器接口（MIPI?）信號路由以及MHL 1.0等場景中也能發(fā)揮重要作用。對于USB集線器或控制器USB I/O有限的情況，TS3USB221可以通過在多個USB總線之間切換，有效擴展有限的USB I/O，還能將單個控制器連接到兩個USB連接器。

深入了解TS3USB221

引腳配置與功能

TS3USB221有DRC（VSON，10）和RSE（UQFN，10）兩種封裝形式。其引腳包括用于USB端口的1D+、1D - 、2D+、2D - 、D+、D - ，控制引腳OE（總線開關(guān)使能）、S（選擇輸入），以及電源引腳Vcc和接地引腳GND。每個引腳都有其特定的功能，共同實現(xiàn)了信號的切換和控制。

規(guī)格參數(shù)

絕對最大額定值

涵蓋了電源電壓、控制輸入電壓、開關(guān)I/O電壓等多個參數(shù)的最大和最小值，超出這些范圍可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。例如，電源電壓 (V_{CC}) 的范圍是 - 0.5V至4.6V。

ESD額定值

人體模型（HBM）下ESD為 + 2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）下為 ± 1500V，這表明該器件具有較好的靜電防護(hù)能力。

推薦工作條件

規(guī)定了電源電壓、控制輸入電壓、數(shù)據(jù)輸入/輸出電壓和工作溫度等參數(shù)的合適范圍，在這些條件下設(shè)備能正常工作。如電源電壓 (V_{CC}) 推薦范圍是2.3V至3.6V。

電氣特性

包括控制輸入電流、開關(guān)斷開時的漏電流、電源電流等多個參數(shù)，這些參數(shù)反映了設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的電氣性能。例如，控制輸入電流 (I{IN}) 在 (V{CC}) 為3.6V、2.7V、0V，(V_{IN}) 為0V至3.6V時，最大為 ± 1μA。

動態(tài)電氣特性

在不同電源電壓（如 (V{CC}=3.3V pm 10%) 和 (V{CC}=2.5V pm 10%) ）下，測試了串?dāng)_、關(guān)斷隔離和帶寬等參數(shù)。典型情況下，帶寬（ - 3dB）都能達(dá)到1GHz，串?dāng)_和關(guān)斷隔離指標(biāo)也較為優(yōu)秀。

開關(guān)特性

包括傳播延遲、線路啟用時間、線路禁用時間和輸出偏斜等參數(shù)，這些參數(shù)對于高速信號的準(zhǔn)確切換至關(guān)重要。例如，在 (V{CC}=3.3V pm 10%) 時，傳播延遲 (t{pd}) 典型值為0.25ns，最大為30ns。

典型特性曲線

文檔中給出了增益與頻率、關(guān)斷隔離與頻率、串?dāng)_與頻率以及導(dǎo)通電阻與輸入電壓等典型特性曲線，通過這些曲線可以直觀地了解設(shè)備在不同頻率和電壓下的性能表現(xiàn)。

應(yīng)用設(shè)計要點

設(shè)計要求

要遵循USB 1.0、1.1和2.0標(biāo)準(zhǔn)，建議將數(shù)字控制引腳S和 (overline{OE}) 上拉到 (V_{CC}) 或下拉到GND，以避免因引腳浮空導(dǎo)致的開關(guān)位置異常。

詳細(xì)設(shè)計步驟

TS3USB221在無外部組件的情況下也能正常工作，但為防止信號反射回設(shè)備，建議將未使用的引腳通過50Ω電阻接地。

電源供應(yīng)建議

確保通過 (V{CC}) 引腳為設(shè)備供電，并遵循USB標(biāo)準(zhǔn)。在 (V{CC}) 引腳附近放置旁路電容，有助于平滑低頻噪聲，提供更好的負(fù)載調(diào)節(jié)。

布局注意事項

1. 電容放置：旁路電容應(yīng)盡量靠近 (V_{CC}) 引腳，避免靠近D + /D - 走線。
2. 走線長度匹配：高速D + /D - 走線長度應(yīng)匹配且不超過4英寸，以保證眼圖性能。同時，要確保D + 和D - 走線的阻抗與電纜特性差分阻抗匹配。
3. 減少信號反射：高速USB信號路由應(yīng)盡量減少過孔和拐角的使用，必須使用過孔時，增大過孔周圍的間隙尺寸。避免在雙絞線線路上設(shè)計測試點，如需轉(zhuǎn)彎，使用兩個45°轉(zhuǎn)彎或圓弧代替90°轉(zhuǎn)彎。
4. 避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時鐘信號發(fā)生器、開關(guān)穩(wěn)壓器、安裝孔、磁性設(shè)備或使用時鐘信號的IC附近或下方路由USB走線。
5. 避免信號反射：避免高速USB信號上出現(xiàn)Stub，若不可避免，Stub長度應(yīng)小于200mm。
6. 多層板設(shè)計：建議使用至少四層的印刷電路板，確保大部分信號走線在同一層，且GND平面緊鄰該層。

總結(jié)

TS3USB221憑借其優(yōu)越的電氣性能、廣泛的應(yīng)用場景和詳細(xì)的設(shè)計指導(dǎo)，為電子工程師在高速USB信號切換設(shè)計中提供了可靠的選擇。在實際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計需求和場景，合理運用TS3USB221的各項特性，并嚴(yán)格遵循設(shè)計要點，以確保設(shè)備的高性能和穩(wěn)定性。大家在使用TS3USB221的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。