TUSB215：USB 2.0 高速信號調節器的卓越之選

在當今數字化飛速發展的時代，USB 接口作為數據傳輸和設備連接的重要橋梁，被廣泛應用于各種電子設備中。然而，隨著傳輸距離的增加和信號的衰減，信號質量往往會受到影響，從而影響設備的性能和穩定性。為了解決這一問題，德州儀器（TI）推出了 TUSB215 USB 2.0 高速信號調節器，為 USB 高速信號的傳輸提供了可靠的解決方案。

文件下載：tusb215.pdf

產品概述

TUSB215 是一款專為補償傳輸通道中的 ISI 信號損失而設計的 USB 高速（HS）信號調節器。它能夠有效幫助設備通過 USB 電氣合規性測試，確保信號的完整性和穩定性。該器件具有多項出色的特性，使其在眾多同類產品中脫穎而出。

特性亮點

1. 兼容性強：與 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 兼容，引腳搭接或可通過 I2C 進行配置，具有廣泛的適用性。
2. 充電功能：集成 USB BC1.2 充電下行端口（CDP）控制器，可實現充電功能，滿足不同應用場景的需求。
3. 信號傳輸支持：支持 LS、FS 和 HS 信號傳輸，且對 USB 低速（LS）和全速（FS）信號無感知，不影響其信號特征，僅對 HS 信號進行補償。
4. 低功耗設計：具備超低 USB 斷開和關斷功耗，有助于降低設備的整體功耗，延長電池續航時間。
5. 可擴展性：提供可擴展解決方案，可用于高損耗應用的菊花鏈器件，滿足不同系統的需求。
6. 端口互換性：D1P/M 和 D2P/M 可互換且主機/設備不可知，增加了設計的靈活性。
7. 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，結合直流升壓與交流升壓，可實現最佳信號完整性。

應用領域

TUSB215 的應用領域十分廣泛，涵蓋了筆記本電腦、臺式機、擴展塢、平板電腦、手機、有源電纜、電纜擴展器、背板以及電視等眾多設備。在這些設備中，TUSB215 能夠有效提升 USB 高速信號的傳輸質量，確保設備的穩定運行。

技術規格

絕對最大額定值

• 電源電壓范圍（VCC）：-0.3V 至 6V
• I/O 引腳電壓范圍：-0.3V 至 3.8V
• 存儲溫度（Tstg）：-65℃ 至 150℃

ESD 評級

• 人體模型（HBM）：+2000V
• 帶電設備模型（CDM）：+500V

推薦工作條件

• 電源電壓（Vcc）：4.4V 至 5.5V
• 環境溫度（TA）：TUSB215 為 0℃ 至 70℃，TUSB215I 為 -40℃ 至 85℃
• 結溫（TJ）：TUSB215 為 0℃ 至 85℃，TUSB215I 為 -40℃ 至 105℃

電氣特性

TUSB215 在不同工作模式下的電流表現如下：

• 高速活動電流（ACTIVE_HS）：典型值為 18mA，最大值為 30mA
• 高速空閑電流（IDLE_HS）：典型值為 13mA，最大值為 22mA
• 高速掛起電流（IsUSPEND_HS）：典型值為 0.76mA，最大值為 1.5mA
• 全速/低速電流（IFS_LS）：典型值為 0.77mA，最大值為 1.5mA
• 斷開電流（DISCONNECT）：典型值為 0.86mA，最大值為 1.5mA
• 禁用電流（IRSTN）：典型值為 22μA，最大值為 80μA

此外，還給出了各引腳的相關電氣參數，如輸入電壓、輸入電流、電阻值等，為工程師的設計提供了詳細的參考。

開關特性

• DxP/M 比特率（FBRDXX）：最大值為 480.24Mbps
• DxP/M 上升時間（tRISEDXX）：最小值為 100ps
• DxP/M 下降時間（tFALL_DXX）：最小值為 100ps

功能描述

功能框圖

TUSB215 的功能框圖展示了其內部結構和信號處理流程。該器件主要由信號調節模塊、充電控制模塊、模式檢測模塊等組成，各模塊協同工作，實現對 USB 高速信號的補償和處理。

特性詳細描述

1. EQ 引腳：用于通過外部下拉電阻配置設備的交流升壓，可實現四種不同的交流升壓級別。在 RSTN 信號釋放時采樣，不識別實時調整，浮空時自動選擇最大交流升壓級別。
2. DC_BOOST 引腳：為三電平引腳，用于設置設備的直流增益。在復位時為 3 級輸入信號 DC_BOOST，可選擇不同的直流升壓值；復位后為輸出信號 ENA_HS，指示通道是否處于高速模式。
3. BC1.2 CDP 支持：TUSB215 不僅可以作為信號調節器，還能為不具備 USB BC 充電下行端口（CDP）功能的 USB 主機或集線器提供該功能。

設備功能模式

1. 低速（LS）模式：自動檢測到 LS 連接時，不啟用信號補償，CD 引腳置高。
2. 全速（FS）模式：自動檢測到 FS 連接時，不啟用信號補償，CD 引腳置高。
3. 高速（HS）模式：自動檢測到 HS 連接時，根據 DC_BOOST 引腳的配置和 EQ 引腳的外部下拉電阻啟用信號補償，CD 引腳置高。
4. 關機模式：當 RSTN 引腳置低時，設備禁用。此時 USB 通道仍可正常工作，但無信號補償，CD 引腳無通道狀態指示。
5. I2C 模式：支持 100kHz 的 I2C 通信，用于設備配置、狀態回讀和測試。在 RSTN 信號釋放后，SCL 和 SDA 引腳采樣為高時啟用該模式，可通過 I2C 讀寫操作訪問特定寄存器。

應用與實現

應用信息

TUSB215 的主要目的是恢復 USB 高速通道到 USB 連接器的信號完整性。由于高損耗 PCB 走線和其他電容性負載會降低通道帶寬，導致信號質量下降，甚至使通道無法通過 USB 近端眼圖掩碼測試。合理使用 TUSB215 可以有效解決這一問題，同時其直流升壓功能有助于克服電纜和走線的直流損耗。此外，TUSB215 的 CD 引腳還可用于控制客戶平臺上的其他模塊，并且提供 CDP 控制器功能。

典型應用

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，根據需求也可將方向反轉。設計時需考慮一些參數，如電源電壓（Vcc）、是否需要 I2C 支持、交流升壓和直流升壓的設置等。

詳細設計流程

1. 復位信號：TUSB215 需要有效的復位信號。若微控制器按推薦驅動 RSTN 引腳，則無需在該引腳添加電容；否則，需添加外部電容以確保設備在低功耗復位狀態。
2. VREG 引腳：該引腳為內部 LDO 輸出，需要連接一個 0.1μF 的外部電容到地，以穩定核心電路。
3. 升壓設置：理想的交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級別 0 開始，逐步增加；直流升壓設置同理，建議預留更改升壓設置的焊盤或連接，初始設置為直流升壓級別 1。為使設備識別交流和直流升壓設置的更改，需對 RSTN 引腳進行切換操作。
4. 設備放置：設備的放置位置取決于應用目標。若要通過 USB 近端掩碼測試，應靠近測量點；若要通過 USB 遠端眼圖掩碼測試，應靠近 USB PHY；若要級聯多個設備以改善設備枚舉，應放置在每個 USB 互連的中間位置。

測試流程

在使用示波器合規軟件構建 USB 高速眼圖之前，需遵循以下測試流程：

主機端應用

1. 將 TUSB215 配置到所需的交流和直流升壓設置。
2. 給 TUSB215 上電（若已上電，則切換 RSTN 引腳）。
3. 使用 SMA 電纜將示波器和 USB-IF 主機端測試夾具連接到 TUSB215。
4. 使主機發送 USB TEST_PACKET。
5. 運行示波器的 USB 合規軟件。
6. 重復上述步驟，以不同設置重新測試 TUSB215。

設備端應用

1. 將 TUSB215 配置到所需的交流和直流升壓設置。
2. 給 TUSB215 上電（若已上電，則切換 RSTN 引腳）。
3. 將 USB 主機、USB-IF 設備端測試夾具和 USB 設備連接到 TUSB215，并將 USB-IF 設備測試夾具設置為‘INIT’位置。
4. 讓主機枚舉設備。
5. 使設備發送 USB TEST_PACKET。
6. 使用 SMA 電纜將示波器連接到 USB-IF 設備端測試夾具，并將設備端測試夾具設置為‘TEST’位置。
7. 運行示波器的 USB 合規軟件。
8. 重復上述步驟，以不同設置重新測試 TUSB215。

電源供應建議

上電時，RSTN 引腳與上電斜坡的相互作用可能導致數字電路設置不正確。為確保數字電路正確上電復位，設備應在上電斜坡穩定到 4.4V 或更高電壓后再啟用。若微控制器或其他電路無法在上電斜坡穩定前將 RSTN 引腳置低，則需在 RSTN 引腳與地之間連接外部電容，使設備保持在低功耗復位狀態。推薦的最小外部電容值可根據公式 $C_{RSTN}=[Ramp Time × 5] div[500 kΩ]$ 計算。

布局建議

布局指南

為避免信號過孔，建議將高速走線與 TUSB215 放置在同一表層。布局應使用阻抗控制走線，以保持整個信號路徑的 90Ω 差分阻抗，遵循高速信號布線的一般準則。

布局示例

文檔中給出了 TUSB215 的 PCB 布局示例，展示了如何合理安排引腳和走線，以實現良好的信號傳輸和電磁兼容性。

器件和文檔支持

接收文檔更新通知

若要接收文檔更新通知，可導航至 TI.com 上的器件產品文件夾，點擊右上角的“通知我”進行注冊，即可每周接收產品信息更改摘要。詳細的更改信息可查看修訂文檔中的修訂歷史記錄。

社區資源

TI 提供了豐富的社區資源，如 TI E2E? 在線社區，工程師可在此咨詢問題、分享知識、拓展思路并與同行協作解決問題。此外，TI 參考設計支持可幫助快速查找有用的 E2E 論壇、設計支持工具以及技術支持的聯系信息。

商標說明

E2E 是德州儀器的商標，其他商標歸各自所有者所有。

靜電放電警告

靜電放電可能會損壞集成電路，因此在處理 TUSB215 時，應采取適當的預防措施，如佩戴防靜電手環、使用防靜電工作臺等，以避免因靜電放電導致器件損壞。

總結

TUSB215 作為一款高性能的 USB 2.0 高速信號調節器，憑借其出色的特性、廣泛的應用領域和詳細的設計指導，為電子工程師在 USB 高速信號傳輸設計中提供了可靠的解決方案。無論是在筆記本電腦、臺式機等傳統設備，還是在新興的智能設備中，TUSB215 都能發揮重要作用，幫助工程師解決信號衰減和質量下降的問題，提升設備的性能和穩定性。在實際應用中，工程師應根據具體需求合理選擇和配置 TUSB215，結合其電源供應、布局等方面的建議，確保設計的順利實現。你在使用 TUSB215 過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。