探索TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主機控制器：特性、應用與設計要點

在當今數字化飛速發展的時代，USB接口作為設備之間數據傳輸和供電的重要橋梁，其性能和兼容性至關重要。TUSB7320和TUSB7340作為TI推出的USB 3.0 xHCI主機控制器，為我們帶來了高效且穩定的解決方案。今天，我們就深入探討一下這兩款芯片的特性、應用以及設計過程中的關鍵要點。

文件下載：tusb7320.pdf

一、TUSB73x0簡介

TUSB73x0系列包括TUSB7320和TUSB7340，它們均采用100引腳的RKM（WQFN - MR）封裝，引腳兼容。TUSB7320支持最多兩個下游端口，而TUSB7340則支持最多四個下游端口。在后續的討論中，我們用TUSB73x0來統稱這兩款芯片。

特性亮點

1. 端口靈活性：每個下游端口可獨立啟用或禁用，并且可以標記為可移動或不可移動，同時具備獨立的電源控制和過流檢測功能。這使得在不同的應用場景中，可以根據實際需求靈活配置端口，提高系統的適應性。
2. 信號調節：每個端口都可以對傳輸擺幅、去加重和均衡設置進行調整，有助于優化信號質量，減少信號干擾，提高數據傳輸的穩定性。
3. 時鐘與電源管理：支持外部振蕩器源或晶體單元，時鐘頻率可以是24 MHz或48 MHz。同時，芯片內部集成了擴頻生成功能，有助于降低電磁干擾。此外，芯片不需要外部閃存進行默認配置，可選的串行EEPROM可用于自定義配置。
4. 低功耗設計：通過調整輸出擺幅可以直接按比例減少電流消耗，從而節省功耗。不同工作狀態下的功耗表現也較為出色，例如TUSB7320在2個SuperSpeed設備活動時，總功耗為1003.20 mW；在系統空閑狀態下，總功耗僅為70.95 mW。

二、應用領域

TUSB73x0具有廣泛的應用領域，主要包括以下幾個方面：

1. 服務器領域：在機架服務器、微服務器和塔式服務器中，TUSB73x0可以提供高速穩定的USB連接，滿足服務器對數據傳輸和設備擴展的需求。
2. 高性能計算：在高性能計算系統中，需要快速的數據傳輸和可靠的設備連接，TUSB73x0的SuperSpeed連接能力可以很好地滿足這些要求。
3. 存儲區域網絡（SAN）和主機總線適配器（HBA）卡：在存儲系統中，TUSB73x0可以實現高速的數據傳輸，提高存儲設備的讀寫效率。
4. 桌面PC或主板：為桌面PC和主板提供更多的USB端口選擇，支持各種USB設備的連接，增強系統的擴展性。

三、詳細設計要點

1. 引腳配置與功能

TUSB73x0的引腳配置涵蓋了時鐘、復位、PCI Express接口、USB下游端口等多個方面。例如，GRST#用于全局電源復位，XI和XO用于晶體輸入和輸出，PCIE_REFCLKP和PCIE_REFCLKN用于PCI Express參考時鐘等。在設計過程中，需要特別注意引腳的連接和信號的處理，確保各個信號的穩定性和正確性。

2. 電氣特性與規格

絕對最大額定值

在使用TUSB73x0時，必須嚴格遵守絕對最大額定值，例如電源電壓、輸入電壓、輸出電壓等。超出這些額定值可能會導致設備永久性損壞，影響設備的可靠性。

ESD評級

芯片的ESD評級為人體模型（HBM）±1500 V，帶電設備模型（CDM）±500 V。在實際應用中，需要采取適當的ESD防護措施，如使用ESD鉗位器等，以保護芯片免受靜電放電的影響。

推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓范圍、工作溫度范圍等。例如，VDD33的推薦電壓范圍為3 - 3.6 V，工作溫度范圍根據不同的版本有所不同，工業版本為 - 40 - 85℃。在設計電源和散熱系統時，需要確保芯片在推薦的工作條件下運行，以保證其性能和穩定性。

3. PHY控制

輸出電壓擺幅控制

通過De - Emphasis和Swing Control Register中的SWING位，可以獨立設置每個發射器的輸出擺幅。不同的SWING值對應不同的AC - 耦合振幅，通過調整輸出擺幅可以直接影響電流消耗，從而實現功耗的優化。

去加重控制

去加重可以補償連接介質中的高頻衰減。通過Portx_DE位可以設置15種不同的去加重設置，不同的設置對應不同的振幅衰減和dB值。

自適應均衡器

所有接收通道都集成了自適應均衡器，可以通過Equalizer Control Register的Portx_EQ位進行配置。自適應均衡器可以補償通道插入損耗，減少符號間干擾，提高信號質量。

4. 輸入時鐘

TUSB73x0支持外部振蕩器源或晶體單元。當使用晶體時，需要在XI和XO之間連接一個2 - MΩ的反饋電阻，并注意晶體的負載電容等參數。在使用外部時鐘時，參考時鐘應具有±100 PPM或更好的頻率穩定性，絕對峰 - 峰抖動小于50 ps或應用USB 3.0抖動傳遞函數后小于25 ps。

5. 編程

兩線串行總線接口

主機控制器提供兩線串行總線接口，可從外部EEPROM加載子系統識別信息和特定寄存器默認值。使用外部EEPROM是可選的，TUSB73x0在默認設置下也能正常工作。在PCIe附加卡中，如果需要標記USB端口為不可移動、禁用端口、設置PCIe子系統ID和供應商ID等操作，則需要使用EEPROM。

系統管理中斷

TUSB73X0包括一個系統管理中斷（SMI）引腳，用于在系統BIOS中支持USB功能。通過USB Legacy Support Control/Status Register中的位可以控制SMI引腳的狀態。

6. 應用與實現

設計要求

在設計過程中，需要考慮輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出電流額定值等參數。例如，輸入電壓范圍為1.1V - 3.3V，輸出電壓為5V，輸出電流額定值為484 MHz。

詳細設計過程

• 上游實現：TUSB7320的上游端口連接到PCIe x1 Gen 2接口，使用48 - MHz外部晶體時，需要在XI和XO之間連接一個2 - MΩ的反饋電阻。
• 下游端口實現：下游端口連接到USB3 Type A連接器，在布線時需要注意高速差分對的阻抗匹配和長度匹配。
• PCI Express連接器：PERp和PERn信號必須連接到0.1 μF的耦合電容，以保證信號的穩定性。
• 1.1 - V調節器：為了僅使用一個電源源，需要使用1.1 - V調節器。可以通過調整電阻值來設置不同的輸出電壓。
• 5 - V VBUS選項：可以使用5 - V調節器或IDE電源連接器來生成5 - V源。

布局要點

在PCB布局時，需要遵循一些重要的原則：

• 高速差分布線：對于高速差分對（如USB_DM和USB_DP、USB_SSTXM和USB_SSTXP、USB_SSRXM和USB_SSRXP），應確保90 Ω ±15%的差分阻抗，并且對信號對進行長度匹配。同時，盡量減少過孔的使用，將差分對布線在頂層或底層。
• ESD和共模扼流圈：ESD鉗位器和共模扼流圈應盡量靠近USB連接器信號引腳放置，以提高信號的抗干擾能力。

7. 寄存器映射

TUSB73x0的寄存器映射包括經典PCI配置空間、PCI Express擴展配置空間、xHCI內存映射寄存器空間和MSI - X內存映射寄存器空間。每個寄存器空間都有其特定的功能和用途，通過對這些寄存器的配置和操作，可以實現對芯片的各種功能控制。例如，通過配置USB Command Register可以啟動或停止芯片的運行，通過讀取USB Status Register可以了解芯片的狀態信息。

四、總結

TUSB73x0作為一款高性能的USB 3.0 xHCI主機控制器，具有豐富的特性和廣泛的應用領域。在設計過程中，我們需要充分了解其引腳配置、電氣特性、PHY控制、輸入時鐘、編程、應用實現和寄存器映射等方面的知識，嚴格遵循設計要求和布局原則，才能充分發揮其性能優勢，設計出穩定可靠的系統。希望本文能夠為電子工程師們在使用TUSB73x0進行設計時提供一些有價值的參考。

以上就是關于TUSB73x0 USB 3.0 xHCI主機控制器的詳細介紹，你在實際設計過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區留言討論。