深入解析TUSB213 USB 2.0高速信號調節器

在當今的電子設備中，USB接口已經成為了數據傳輸和設備連接的標準配置。然而，隨著傳輸距離的增加和信號質量的下降，如何保證USB高速信號的完整性成為了一個關鍵問題。TUSB213作為一款專門為補償傳輸通道中ISI信號損失而設計的USB高速（HS）信號調節器，為解決這一問題提供了有效的解決方案。

文件下載：tusb213.pdf

一、TUSB213的特性

兼容性強

TUSB213與USB 2.0、OTG 2.0和BC 1.2兼容，這使得它可以廣泛應用于各種支持USB協議的設備中，確保設備之間的穩定通信。

靈活配置

它支持引腳搭接或通過I2C進行配置，為工程師提供了更多的設計靈活性。無論是在簡單的應用場景中通過引腳搭接快速配置，還是在復雜的系統中通過I2C進行精確控制，都能滿足需求。

多信號支持

支持LS、FS和HS信號傳輸，并且采用了對USB低速（LS）和全速（FS）信號無感知的設計（該設計正在申請專利）。這意味著LS和FS信號特征不受TUSB213的影響，而該器件會對HS信號進行補償，確保高速信號的傳輸質量。

低功耗設計

具有超低USB斷開和關斷功耗，有助于延長設備的電池續航時間，提高能源利用效率。

可擴展性好

是一種可擴展解決方案，支持用于高損耗應用的菊花鏈器件，能夠滿足不同應用場景的需求。此外，D1P/M和D2P/M可互換且主機/設備不可知，方便系統設計。

電纜長度支持

支持長達5米的通道前或2米的通道后電纜長度，通過外部下拉電阻器實現四種可選交流升壓設置，同時具備直流升壓與交流升壓功能，可實現最佳信號完整性。

二、應用領域

計算機設備

適用于筆記本電腦、臺式機和擴展塢等計算機設備，能夠有效補償USB信號在傳輸過程中的損失，確保高速數據傳輸的穩定性。

移動設備

在手機、平板電腦等移動設備中，TUSB213可以提高USB接口的性能，增強設備與外部設備之間的連接穩定性。

其他設備

還可應用于有源電纜、電纜擴展器、背板、電視等設備，為這些設備的USB接口提供信號調節功能。

三、詳細說明

功能概述

TUSB213的主要功能是補償傳輸通道中的ISI信號損失，幫助設備通過USB電氣合規性測試。它通過可編程信號交流升壓和直流升壓，可精調器件性能，從而優化連接器上的高速信號。

功能框圖

從功能框圖來看，TUSB213包含低和全速旁路、ESD保護、高速補償和USB收發器等模塊。其中，低和全速旁路模塊確保LS和FS信號不受影響，而高速補償模塊則對HS信號進行補償。

特性描述

• EQ引腳：用于配置設備的交流升壓，通過不同的外部下拉電阻值可設置四個級別的交流升壓。
• DC_BOOST引腳：是一個三電平引腳，用于設置設備的直流增益，可根據不同的輸入電平選擇不同的直流升壓設置（40mV、60mV或80mV）。

設備功能模式

• 低速（LS）模式：TUSB213自動檢測到LS連接后，不啟用信號補償，CD引腳置高。
• 全速（FS）模式：自動檢測到FS連接后，同樣不啟用信號補償，CD引腳置高。
• 高速（HS）模式：自動檢測到HS連接后，會根據DC_BOOST引腳的配置和EQ引腳的外部下拉電阻來啟用信號補償，CD引腳置高。
• 關機模式：當RSTN引腳置低時，TUSB213被禁用。在關機模式下，USB通道仍可正常工作，但沒有信號補償，CD引腳也不會提供通道狀態指示。
• I2C模式：支持100kHz的I2C通信，用于設備配置、狀態回讀和測試。在該模式下，可通過I2C讀寫事務訪問特定的寄存器。

四、設計與應用

典型應用

在典型應用中，D2P和D2M面向USB連接器，D1P和D1M面向USB主機或集線器。當然，根據實際需求，方向也可以反轉。

設計要求

在設計過程中，需要考慮一些參數，如VCC電壓范圍（4.4V - 5.5V）、是否需要I2C支持、交流升壓和直流升壓的設置等。

詳細設計步驟

1. 復位信號：TUSB213需要一個有效的復位信號，確保數字電路正確初始化。如果RSTN引腳不能由微控制器或其他電路保持低電平直到電源斜坡穩定，則需要在RSTN引腳和地之間連接一個外部電容。
2. VREG引腳：VREG引腳是內部LDO輸出，需要連接一個0.1μF的外部電容到地以穩定核心。
3. 升壓設置：理想的交流升壓和直流升壓設置取決于目標平臺的信號鏈損耗特性。一般建議從交流升壓等級0開始，逐步增加；直流升壓設置也建議先從等級1開始。為了讓TUSB213識別升壓設置的變化，需要對RSTN引腳進行切換操作。
4. 設備放置：設備的放置位置也很重要，根據不同的應用目標，建議將其放置在靠近測量點、靠近USB PHY或每個USB互連的中間位置。

測試程序

在構建USB高速眼圖時，需要遵循特定的測試程序，根據應用場景的不同（主機側應用或設備側應用），測試步驟略有差異，但總體來說都包括配置升壓設置、上電或切換RSTN引腳、連接測試設備、發送USB TEST_PACKET以及執行示波器USB合規軟件等步驟。

五、規格參數

絕對最大額定值

包括電源電壓范圍、I/O引腳電壓范圍和存儲溫度等參數，超出這些額定值可能會導致設備永久性損壞。

ESD額定值

該設備具有一定的靜電放電（ESD）防護能力，其人體模型（HBM）和充電設備模型（CDM）的ESD額定值分別為±2000V和±500V。

推薦工作條件

規定了電源電壓、環境溫度和結溫等參數的推薦工作范圍，確保設備在這些條件下正常工作。

電氣特性

詳細列出了不同工作模式下的電流消耗、輸入輸出電壓和電流等參數，為工程師在設計電路時提供了重要參考。

開關特性

包括DxP/M的比特率、上升時間和下降時間等參數，反映了設備的信號切換性能。

典型特性

通過一些典型的眼圖展示了TUSB213在不同電纜長度和升壓設置下的信號傳輸效果，直觀地體現了其對信號完整性的改善作用。

六、電源供應與布局建議

電源供應

在電源上電時，RSTN引腳和電源斜坡的相互作用可能會導致數字電路設置不正確。因此，建議在電源斜坡穩定到4.4V或更高后再啟用設備。如果無法通過微控制器或其他電路將RSTN引腳保持低電平直到電源斜坡穩定，則需要在RSTN引腳和地之間連接一個外部電容，其RC時間常數應大于電源斜坡時間的五倍。

布局

在PCB布局時，建議將高速信號走線與TUSB213放置在同一表層，避免信號過孔。同時，應使用阻抗控制走線，以保持整個信號路徑的90Ω差分阻抗，符合USB 2.0規范的要求。

七、器件和文檔支持

文檔更新通知

用戶可以在TI.com上的器件產品文件夾中注冊接收文檔更新通知，以便及時了解產品信息的變化。

社區資源

TI提供了E2E在線社區和設計支持等資源，方便工程師之間的協作和交流，獲取更多的技術支持和幫助。

商標和靜電放電警告

需要注意的是，E2E是德州儀器的商標，其他商標歸各自所有者所有。同時，ESD可能會損壞集成電路，在處理和安裝過程中應采取適當的預防措施。

TUSB213作為一款功能強大的USB 2.0高速信號調節器，具有多種特性和優勢，能夠有效解決USB高速信號傳輸中的信號損失問題。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計需求和應用場景，合理選擇和配置TUSB213，以確保設備的性能和穩定性。你在使用TUSB213的過程中是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。