TUSB216I：USB 2.0 高速信號(hào)調(diào)節(jié)器的卓越之選

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，USB 接口已成為電子設(shè)備中不可或缺的一部分。為了確保 USB 高速信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，德州儀器（TI）推出了 TUSB216I 這款具有 BC 1.2 控制器的 USB 2.0 高速信號(hào)調(diào)節(jié)器。本文將深入介紹 TUSB216I 的特性、應(yīng)用、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容，希望能為電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、TUSB216I 特性概覽

1.1 信號(hào)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)

TUSB216I 是第三代 USB 2.0 高速信號(hào)調(diào)節(jié)器，其核心功能是補(bǔ)償傳輸通道中的交流損失（由于電容性負(fù)載）和直流損失（由于電阻性負(fù)載）。它采用了專(zhuān)利設(shè)計(jì)，通過(guò)邊緣加速器加速 USB 2.0 高速信號(hào)的傳輸邊緣，同時(shí)利用直流升壓功能提高靜態(tài)電平。此外，預(yù)均衡功能可有效提高接收器的靈敏度，補(bǔ)償較長(zhǎng)線纜應(yīng)用中的碼間串?dāng)_（ISI）抖動(dòng)。而且，USB 低速和全速信號(hào)特征不受其影響，這為不同速率的 USB 信號(hào)傳輸提供了可靠保障。

1.2 電源與兼容性?xún)?yōu)勢(shì)

該器件具有寬電源電壓范圍，為 2.3V 至 6.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。同時(shí)，超低的 USB 斷開(kāi)和關(guān)斷功耗，有助于降低系統(tǒng)整體能耗。它與 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 協(xié)議兼容，支持低速、全速和高速信號(hào)傳輸，具有很強(qiáng)的通用性。

1.3 功能可配置性

TUSB216I 提供了豐富的可配置選項(xiàng)。通過(guò)外部下拉電阻器值可實(shí)現(xiàn)四種可選的信號(hào)增強(qiáng)（邊沿升壓與直流升壓）設(shè)置，還能通過(guò)上拉或下拉實(shí)現(xiàn)三種可選的 RX 靈敏度設(shè)置，以補(bǔ)償高損耗應(yīng)用中的 ISI 抖動(dòng)。這種可配置性使得工程師能夠根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活調(diào)整，優(yōu)化信號(hào)傳輸質(zhì)量。

1.4 長(zhǎng)距離傳輸支持

它支持長(zhǎng)達(dá) 5m 的電纜，在使用長(zhǎng)達(dá) 5 米的線纜時(shí)，可幫助系統(tǒng)通過(guò) USB 2.0 高速近端眼圖合規(guī)性測(cè)試。并且，支持長(zhǎng)達(dá) 10m 的電纜和兩臺(tái) TUSB216I 器件的可擴(kuò)展解決方案，器件可通過(guò)菊花鏈連接用于高損耗應(yīng)用，大大拓展了其應(yīng)用范圍。

1.5 引腳兼容性良好

TUSB216I 與 TUSB211A、212、214 和 217A 引腳兼容（3.3V），這為工程師在設(shè)計(jì)升級(jí)或替換時(shí)提供了便利，降低了設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

二、TUSB216I 應(yīng)用領(lǐng)域

TUSB216I 的廣泛特性使其適用于眾多領(lǐng)域，包括但不限于筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)或擴(kuò)展塢、便攜式電子產(chǎn)品、平板電腦、手機(jī)、電視等設(shè)備，以及有源電纜、電纜擴(kuò)展器、背板等應(yīng)用場(chǎng)景。在這些應(yīng)用中，TUSB216I 能夠有效解決 USB 高速信號(hào)傳輸中的損耗問(wèn)題，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

三、器件對(duì)比分析

與同類(lèi)型的 TUSB211A、TUSB212、TUSB214 和 TUSB217A 相比，TUSB216I 在多個(gè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，在電源范圍上，TUSB216I 為 2.3V 至 6.5V，而 TUSB212 和 TUSB214 僅為 3.3V，更寬的電源范圍使得 TUSB216I 能適應(yīng)更多的電源環(huán)境。在 RX 預(yù)均衡方面，TUSB216I 具有 3 個(gè)級(jí)別，而 TUSB211A、TUSB212 和 TUSB214 則不具備該功能，這使得 TUSB216I 在補(bǔ)償 ISI 方面表現(xiàn)更出色。在充電端口控制器方面，TUSB216I 的 CDP 控制器可通過(guò)引腳控制，具有更高的靈活性。

四、引腳配置與功能

4.1 主要引腳功能

• BOOST 引腳（6 號(hào)）：用于通過(guò)外部下拉電阻選擇 USB 高速升壓。在非 I2C 模式下，邊沿升壓和直流升壓由單個(gè)引腳控制；在 I2C 模式下，可分別控制。上電時(shí)采樣，不識(shí)別實(shí)時(shí)調(diào)整，浮空時(shí)自動(dòng)選擇 BOOST LEVEL = 3。
• CDP_ENZ 引腳（11 號(hào)）：低電平可啟用 BC 1.2 CDP 電池充電控制器，內(nèi)部有 500kΩ 上拉電阻。
• RX_SEN 3ENA_HS 引腳（9 號(hào)）：在 I2C 模式下，保留用于 TI 測(cè)試；在非 I2C 模式下，復(fù)位時(shí)為 3 級(jí)輸入信號(hào) RX_SEN，用于設(shè)置 USB 高速 RX 靈敏度以補(bǔ)償 ISI 抖動(dòng)；復(fù)位后為輸出信號(hào) ENA_HS，指示通道處于高速模式。
• D2P（7 號(hào)）和 D2M（8 號(hào)）引腳：分別為 USB 高速正、負(fù)端口。
• GND 引腳（10 號(hào)）：接地引腳。
• D1M（1 號(hào)）和 D1P（2 號(hào)）引腳：同樣為 USB 高速正、負(fù)端口。
• SDA（3 號(hào)）引腳：在 I2C 模式下為雙向 I2C 數(shù)據(jù)引腳，7 位 I2C 從地址為 0x2C；在非 I2C 模式下，保留用于 TI 測(cè)試。
• VCC 引腳（12 號(hào)）：供電引腳。
• RSTN 引腳（5 號(hào)）：用于設(shè)備禁用/啟用，低電平設(shè)備處于復(fù)位和關(guān)機(jī)狀態(tài)，高電平為正常運(yùn)行。建議連接 0.1μF 外部電容到地，以確保復(fù)位時(shí)電源干凈。
• SCL（4 號(hào)）引腳：在 I2C 模式下為 I2C 時(shí)鐘引腳，I2C 地址為 0x2C；在非 I2C 模式下，復(fù)位后為輸出 CD，指示 USB 設(shè)備是否連接。

4.2 引腳使用注意事項(xiàng)

工程師在使用這些引腳時(shí)，需要注意不同引腳的電平要求、上拉/下拉電阻的配置以及引腳的功能切換條件等。例如，在使用 I2C 模式時(shí)，SDA 和 SCL 引腳的上拉電阻需要根據(jù) I2C 總線電壓進(jìn)行合理配置；在設(shè)置 BOOST 和 RX_SEN 引腳時(shí)，要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和信號(hào)要求進(jìn)行選擇。

五、規(guī)格參數(shù)詳解

5.1 絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。TUSB216I 的絕對(duì)最大額定值包括：

• 電源電壓范圍（VCC）為 -0.3V 至 7V。
• USB 數(shù)據(jù)電壓范圍（DxP、DxM）為 -0.3V 至 5.5V。
• BOOST 引腳電壓范圍為 -0.3V 至 1.98V。
• 其他引腳（RX_SEN、CDP_ENZ、SDA、SCL、RSTN）電壓范圍為 -0.3V 至 5.5V。
• 存儲(chǔ)溫度范圍為 -65℃ 至 150℃。
• 最大結(jié)溫（TJ (max)）為 125℃。

需要注意的是，超出這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞，在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守。

5.2 ESD 評(píng)級(jí)

TUSB216I 的靜電放電（ESD）評(píng)級(jí)為：人體模型（HBM）±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）±750V。這表明該器件在一定程度上能夠抵抗靜電干擾，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍然需要采取適當(dāng)?shù)?ESD 防護(hù)措施，以確保器件的可靠性。

5.3 推薦工作條件

推薦工作條件是保證器件性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。TUSB216I 的推薦工作條件包括：

• 電源電壓（Vcc）為 2.3V 至 6.5V，典型值為 5V。
• 工業(yè)級(jí)工作環(huán)境溫度（TA）為 -40℃ 至 85℃。
• 結(jié)溫（TJ）最大為 105℃。
• I2C 總線電壓（VI2C_BUS）為 1.62V 至 3.6V。
• USB 數(shù)據(jù)電壓范圍（DxP、DxM）為 0V 至 3.6V。
• BOOST 引腳電壓范圍為 0V 至 1.98V。
• 其他數(shù)字引腳（SCL、SDA、RSTN、CDP_ENZ）電壓范圍為 0V 至 3.6V。
• RX_SEN 引腳電壓范圍為 0V 至 5.0V。

5.4 熱信息

熱信息對(duì)于評(píng)估器件在不同散熱條件下的性能非常重要。TUSB216I 的熱信息包括：

• 結(jié)到環(huán)境的熱阻（RO JA）為 137.4℃/W。
• 結(jié)到外殼（頂部）的熱阻（Ra JC(tcp)）為 62℃/W。
• 結(jié)到電路板的熱阻（R JB）為 67.2℃/W。
• 結(jié)到頂部的表征參數(shù)（JT）為 1.9℃/W。
• 結(jié)到電路板的表征參數(shù)（JB）為 67.3℃/W。

通過(guò)這些熱信息，工程師可以合理設(shè)計(jì)散熱方案，確保器件在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

5.5 電氣特性

文件中詳細(xì)給出了 TUSB216I 在不同測(cè)試條件下的電氣特性參數(shù)，如高電平輸出電壓（VoH）、低電平輸出電壓（VoL）、I2C 總線電容（C12c_BUS）、I2C 開(kāi)漏輸出電流（loL）等。這些參數(shù)是工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的重要依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行參考和調(diào)整。

5.6 開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)特性主要涉及 USB 信號(hào)的比特率（FBR_DXX）和上升/下降時(shí)間（tR/F_DXX）。TUSB216I 在 USB 高速模式下，比特率為 480Mbps，上升/下降時(shí)間最小為 100ps。這些特性對(duì)于保證 USB 信號(hào)的高速、準(zhǔn)確傳輸至關(guān)重要。

5.7 時(shí)序要求

時(shí)序要求包括上電時(shí)序和 I2C 通信時(shí)序。例如，上電時(shí)，RSTN 信號(hào)有效低電平的最小寬度為 100μs，VCC 必須在 RSTN 釋放前穩(wěn)定 300μs，設(shè)備在 RSTN 釋放后最大準(zhǔn)備時(shí)間為 500μs。I2C 通信在標(biāo)準(zhǔn)模式（100kHz）和快速模式（400kHz）下也有相應(yīng)的時(shí)序要求，如停止建立時(shí)間（tsuSTO）、開(kāi)始保持時(shí)間（tHDSTA）等。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格遵守這些時(shí)序要求，以確保器件正常工作。

六、詳細(xì)功能描述

6.1 概述

TUSB216I 主要用于補(bǔ)償 USB 高速傳輸通道中的 ISI 信號(hào)損失。它采用專(zhuān)利設(shè)計(jì)，對(duì) USB 低速和全速信號(hào)特性無(wú)影響，僅對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。其與 USB On-The-Go（OTG）和電池充電（BC）規(guī)范兼容，通過(guò)外部電阻可實(shí)現(xiàn)可編程信號(hào)增益，還可通過(guò)外部上拉和下拉電阻調(diào)整 RX 靈敏度，以克服電纜中的衰減。此外，最多可將 4 個(gè)器件進(jìn)行菊花鏈連接，適用于長(zhǎng)距離或高損耗傳輸路徑。

6.2 功能框圖

文檔中給出了 TUSB216I 的功能框圖，它展示了器件內(nèi)部各個(gè)模塊之間的連接和交互關(guān)系。通過(guò)功能框圖，工程師可以更好地理解器件的工作原理，為電路設(shè)計(jì)和故障排查提供幫助。

6.3 特性描述

6.3.1 高速升壓

高速升壓功能是 TUSB216I 的重要特性之一，它由邊緣升壓和直流升壓組合而成，可改善 USB2.0 高速信號(hào)的眼圖寬度，且與方向無(wú)關(guān)，適用于 OTG 系統(tǒng)。通過(guò) BOOST 引腳和不同阻值的下拉電阻可配置 4 個(gè)級(jí)別的升壓，也可通過(guò) I2C 寄存器進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，信號(hào)調(diào)節(jié)器的內(nèi)部電路可減少可能的過(guò)沖。

6.3.2 RX 靈敏度

RX_SEN 引腳為三電平引腳，用于根據(jù)系統(tǒng)通道損耗設(shè)置器件的增益。增加 RX 靈敏度可恢復(fù)垂直眼圖開(kāi)口較小的輸入信號(hào)，增強(qiáng)弱信號(hào)，克服高衰減。

6.4 設(shè)備功能模式

6.4.1 低速（LS）模式

TUSB216I 能自動(dòng)檢測(cè)到 LS 連接，此時(shí)不啟用信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳置高，ENA_HS 引腳置低。

6.4.2 全速（FS）模式

同理，在檢測(cè)到 FS 連接時(shí)，也不啟用信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳置高，ENA_HS 引腳置低。

6.4.3 高速（HS）模式

當(dāng)檢測(cè)到 HS 連接時(shí)，TUSB216I 會(huì)根據(jù) RX_SEN 引腳的配置和 BOOST 引腳的外部下拉電阻啟用信號(hào)補(bǔ)償。此時(shí) CD 引腳和 ENA_HS 引腳均置高。

6.4.4 高速下游端口電氣合規(guī)測(cè)試模式

TUSB216I 可檢測(cè)到 HS 合規(guī)測(cè)試夾具并進(jìn)入下游端口高速眼圖測(cè)試模式。在此模式下，CD 引腳置低，ENA_HS 引腳置高。若在 HS 功能模式下，RSTN 引腳先置低再置高，器件將轉(zhuǎn)換到 HS 眼圖合規(guī)測(cè)試模式，同時(shí)啟用信號(hào)補(bǔ)償。

6.4.5 關(guān)機(jī)模式

當(dāng) RSTN 引腳置低時(shí)，TUSB216I 進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。在關(guān)機(jī)模式下，DP、DM 走線通過(guò)器件保持連續(xù)，USB 通道仍可正常工作，但無(wú)信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳也不顯示通道狀態(tài)。

6.4.6 I2C 模式

TUSB216I 支持 100 和 400kHz 的 I2C 通信，用于設(shè)備配置、狀態(tài)讀取和測(cè)試。在該模式下，SCL 和 SDA 引腳采樣為高時(shí)啟用控制器，可通過(guò) I2C 讀寫(xiě)事務(wù)訪問(wèn) 7 位從地址 0x2C 的 CSR 寄存器。建議在更改值之前設(shè)置 CFG_ACTIVE 位，以確保正確啟動(dòng)到高速模式。

6.4.7 BC 1.2 電池充電控制器

TUSB216I 除了作為信號(hào)調(diào)節(jié)器外，還具備 BC 1.2 電池充電控制器功能。當(dāng) CDP_ENZ 引腳置低且 BC 1.2 CDP 控制器啟用時(shí)，可在 USB 主機(jī)或集線器不提供充電控制功能的應(yīng)用中發(fā)揮作用，支持 CDP 充電下游端口功能。若 CDP_ENZ 引腳浮空，由于內(nèi)部上拉電阻，CDP 控制器將被禁用。

6.5 TUSB216 寄存器

TUSB216I 有多個(gè)寄存器，如 EDGE_BOOST 寄存器（偏移量 = 0x1）用于設(shè)置邊緣升壓級(jí)別，CONFIGURATION 寄存器（偏移量 = 0x3）用于選擇設(shè)備模式，DC_BOOST 寄存器（偏移量 = 0xE）用于設(shè)置直流升壓級(jí)別，RX_SEN 寄存器（偏移量 = 0x25）用于設(shè)置 RX 靈敏度級(jí)別。這些寄存器的設(shè)置對(duì)于優(yōu)化器件的性能至關(guān)重要，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行合理配置。

七、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

7.1 應(yīng)用信息

TUSB216I 的主要目的是恢復(fù) USB 高速通道到 USB 連接器的信號(hào)完整性。由于高損耗 PCB 走線和其他容性負(fù)載組件會(huì)降低通道帶寬，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，可能使通道無(wú)法通過(guò) USB 近端眼圖測(cè)試。合理使用 TUSB216I 可幫助系統(tǒng)通過(guò)該測(cè)試。此外，還可利用其 CD 引腳控制客戶(hù)平臺(tái)上的其他模塊。

7.2 典型應(yīng)用

文檔給出了 TUSB216I 的典型應(yīng)用原理圖，其中 D2P 和 D2M 面向 USB 連接器，D1P 和 D1M 面向 USB 主機(jī)，方向也可相反。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求進(jìn)行合理布局。

7.2.1 設(shè)計(jì)要求

• 電源與復(fù)位：TUSB216I 需要有效的復(fù)位信號(hào)。若微控制器按推薦驅(qū)動(dòng) RSTN 引腳，則 RSTN 引腳處的電容不是必需的。
• 參數(shù)設(shè)置：根據(jù)不同的電源電壓和系統(tǒng)損耗情況，文檔給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)表。例如，對(duì)于 5V 高損耗系統(tǒng)、3.3V 低至中等損耗系統(tǒng)以及 2.3V 至 4.3V VBAT 低至中等損耗系統(tǒng)，分別列出了電源電壓、I2C 支持要求、邊緣和直流升壓設(shè)置、RX 靈敏度設(shè)置等參數(shù)。需要注意的是，這些參數(shù)僅為起始值，可能需要根據(jù)具體的主機(jī)或設(shè)備、電纜長(zhǎng)度和損耗情況進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

7.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• BOOST 和 RX 靈敏度設(shè)置：理想的 BOOST 設(shè)置取決于目標(biāo)平臺(tái)的信號(hào)鏈損耗特性，建議從 BOOST 級(jí)別 0 開(kāi)始，逐步