高速USB 2.0信號隔離切換利器：TS3USB31詳解

在電子電路的設計中，信號的高效切換與隔離是至關重要的環節。尤其是在處理高速USB 2.0信號時，需要一款性能卓越的開關來確保信號的穩定傳輸。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TS3USB31，一款專門為高速USB 2.0信號切換設計的1:1 SPST高帶寬開關。

文件下載：ts3usb31.pdf

一、TS3USB31簡介

TS3USB31特別針對高速USB 2.0信號的切換進行設計，擁有雙向切換功能，能讓高速信號幾乎無衰減地通過。它具備低比特間偏移和高通道間噪聲隔離的特性，能夠很好地兼容像高速USB 2.0（480 Mbps）這類的標準。其小尺寸的UQFN封裝，非常適合用于手機、數碼相機以及帶集線器的筆記本電腦等手持設備或消費類產品。

二、性能特點

電源與控制特性

寬電壓工作范圍： $V_{CC}$ 可在 3 V 和 4.3 V 下正常工作，能適應不同的電源環境。
低功耗設計：最大功耗僅 1μA，有利于降低系統整體功耗，延長設備續航時間。
控制引腳兼容性好：控制引腳輸入與 1.8 - V 兼容，方便與各種控制電路集成。

電氣性能優越

低導通電阻：最大導通電阻 $r_{on}$ 為 10 Ω，典型值更低，可有效減少信號傳輸過程中的損耗，保證信號的強度和質量。
低通道匹配偏差： $Delta r_{on}$ 典型值小于 0.35 Ω，確保各個通道間的信號一致性，減少信號失真。
低輸入輸出電容： $C_{io(ON)}$ 典型值為 6 pF，可減少信號傳輸過程中的延遲和衰減，提高信號的傳輸速度和質量。

ESD 防護能力強

按照 JESD 22 標準進行 ESD 性能測試，具備出色的靜電防護能力：

人體模型（HBM）可達 6000 - V（A114 - B，Class II）。
充電器件模型（CDM）為 1000 - V（C101）。
機器模型（MM）為 250 - V（A115 - A）。

高帶寬特性

典型 - 3 dB 帶寬達到 1220 MHz，能夠滿足高速 USB 2.0 信號的傳輸要求，確保信號在高頻下能穩定傳輸，減少信號失真和干擾。

封裝小巧

采用 8 - 引腳 TQFN（1.5 mm × 1.5 mm）封裝，體積小，占用 PCB 空間少，適合對空間要求較高的應用場景。

三、應用場景

TS3USB31主要用于 USB 1.0、1.1 和 2.0 總線的隔離。在實際應用中，該器件可用于隔離不使用的 USB 總線，防止兩個不同的 USB 設備相互干擾。例如，在手機、數碼相機和筆記本電腦等設備中，當有多個 USB 接口時，使用 TS3USB31 可以靈活控制各個接口的連接和斷開，避免信號干擾，提高系統的穩定性和可靠性。

四、引腳配置與功能

PIN 名稱	引腳編號	輸入/輸出類型	功能描述
OE	1	I	總線開關使能引腳。高電平有效時，將 D + / D - 引腳與 HSD + / HSD - 引腳隔離；低電平有效時，將 D + / D - 引腳與 HSD + / HSD - 引腳連接。
D +	3	I/O	數據端口，用于傳輸 USB 數據信號。
D -	5	I/O	數據端口，用于傳輸 USB 數據信號。
HSD +	2	I/O	數據端口，用于高速 USB 數據信號傳輸。
HSD -	6	I/O	數據端口，用于高速 USB 數據信號傳輸。
N.C.	7		無內部連接，該引腳應懸空或接地。
GND	4		接地引腳，為芯片提供參考地。
Vcc	8	I/O	電源電壓引腳，為芯片提供工作電源。

五、設計與使用建議

電源供應

為器件供電通過 $V{CC}$ 引腳，建議在 $V{CC}$ 引腳附近盡可能靠近地放置一個旁路電容，以平滑低頻噪聲，在整個頻譜范圍內提供更好的負載調節能力。由于該器件具有掉電隔離功能，允許在器件上電前 D + / - 和 HSD + / - 引腳上存在信號而不損壞器件，因此在系統中不需要與其他器件進行電源排序。

布局設計

電容放置：將電源旁路電容盡可能靠近 $V_{CC}$ 引腳放置，避免將旁路電容放置在 D + 和 D - 走線附近，以減少對信號的干擾。
走線長度與阻抗匹配：高速 D + 和 D - 走線應始終保持等長，且長度不超過 4 英寸，否則可能會降低眼圖性能。在布局中，D + 和 D - 走線的阻抗應與電纜的特性差分阻抗匹配，以實現最佳性能。
減少信號反射：使用最少的過孔和拐角來布線高速 USB 信號，以減少信號反射和阻抗變化。當必須使用過孔時，增加過孔周圍的間隙尺寸以減小其電容。
避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時鐘信號發生器、開關調節器、安裝孔、磁性設備或使用或復制時鐘信號的 IC 下方或附近布線 USB 走線。
避免 Stub：避免在高速 USB 信號上出現 Stub，因為它們會導致信號反射。如果無法避免 Stub，則 Stub 長度應小于 200 mm。
多層板設計：由于 USB 信號的高頻特性，建議使用至少四層的印刷電路板，包括兩個信號層、一個接地層和一個電源層。大部分信號走線應在單層上運行，最好是頂層。緊鄰該層應為連續且無分割的接地平面。

六、規格參數

絕對最大額定值

參數	最小值	最大值	單位
$V_{CC}$ 電源電壓	- 0.5	7	V
$V_{IN}$ 控制輸入電壓	- 0.5	7	V
HSD +、HSD - 電壓	- 0.5	$V_{CC}$ + 0.3	V
開關 I/O 電壓（$V_{CC}$ > 0 時 D +、D -）	- 0.5	$V_{CC}$ + 0.3	V
開關 I/O 電壓（$V_{CC}$ = 0 時 D +、D -）	- 0.5	5.25	V
控制輸入鉗位電流（$V_{IN}$ < 0）	- 50		mA
I/O 端口鉗位電流（$V_{I/O}$ < 0）	- 50		mA
導通狀態開關電流	± 64		mA
通過 $V_{CC}$ 或 GND 的連續電流	± 100		mA
存儲溫度	- 65	150	°C

ESD 額定值

測試模型	數值	單位
人體模型（HBM）	± 6000	V
充電器件模型（CDM）	± 1000	V

參數	最小值	最大值	單位
$V_{CC}$ 電源電壓	3	4.3	V
高電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 3 V 至 3.6 V）	1.3		V
高電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 4.3 V）	1.7		V
低電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 3 V 至 3.6 V）	0.5		V
低電平控制輸入電壓（$V_{CC}$ = 4.3 V）	0.7		V
數據輸入/輸出電壓	0	$V_{CC}$	V
工作環境溫度	- 40	85	°C

電氣特性（部分）

參數	測試條件	典型值	最大值	單位
$V_{IK}$ 輸入鉗位電壓	$V_{CC}$ = 3 V，I = - 18 mA		- 1.2	V
$I_{IN}$ 控制輸入電流	$V{CC}$ = 4.3 V 或 0 V，$V{IN}$ = 0 至 4.3 V		+ 1	μA
$I_{OZ}$ 開關關斷時 I/O 端口電流	$V{CC}$ = 4.3 V，$V{O}$ = 0 至 3.6 V，$V_{i}$ = 0		± 1	μA
$I_{OFF}$ D + 和 D - 關斷電流	$V{CC}$ = 0 V，$V{O}$ = 0 V 至 4.3 V，$V$ = 0，$V{IN}$ = $V{CC}$ 或 GND		+ 2	μA
$I_{CC}$ 電源電流	$V{CC}$ = 4.3 V，$I{IO}$ = 0，開關導通或關斷		1	μA
$Delta I_{CC}$ 控制輸入引起的電源電流變化	$V{CC}$ = 4.3 V，$V{IN}$ = 2.6 V		10	μA
$C_{in}$ 控制輸入電容	$V{CC}$ = 0 V，$V{IN}$ = $V_{CC}$ 或 GND	1		pF
$C_{i(OFF)}$ 關斷狀態輸入/輸出電容	$V{CC}$ = 3.3 V，$V{io}$ = 3.3 V 或 0，開關關斷	2		pF
$C_{io(ON)}$ 導通狀態輸入/輸出電容	$V{CC}$ = 3.3 V，$V{io}$ = 3.3 V 或 0，開關導通	6		pF
$r_{on}$ 導通狀態電阻	$V{CC}$ = 3 V，$V$ = 0.4 V，$I{O}$ = - 8 mA	6	10	Ω
$Delta r_{on}$ 通道匹配	$V{CC}$ = 3 V，$V$ = 0.4 V，$I{O}$ = - 8 mA	0.35		Ω
$r_{on(flat)}$ 導通狀態電阻平整度	$V{CC}$ = 3 V，$V{i}$ = 0 V 或 1 V，$I_{O}$ = - 8 mA	2		Ω

七、總結

TS3USB31 憑借其出色的性能特點、小巧的封裝以及廣泛的應用場景，成為高速 USB 2.0 信號隔離與切換的理想選擇。在實際設計中，只要嚴格按照推薦的電源供應和布局設計原則進行操作，就能充分發揮該器件的優勢，為電子系統帶來更穩定、高效的信號傳輸體驗。大家在使用過程中如果遇到問題，或者有更好的使用經驗，歡迎在評論區留言交流，共同進步！

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