探索TS3USB221：高速USB 2.0信號切換的理想之選

在當今的電子設備中，高速USB 2.0接口的應用極為廣泛。為了實現信號的高效切換和傳輸，一款性能出色的開關芯片至關重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的TS3USB221高速USB 2.0（480Mbps）1:2多路復用器或解復用器開關。

文件下載：ts3usb221.pdf

一、產品特性亮點

1. 寬電壓范圍與兼容性

TS3USB221的 $V{CC}$ 工作電壓范圍為2.3V至3.6V，$V{I/O}$ 能夠接受高達5.5V的信號。其控制引腳輸入與1.8V兼容，這使得它在不同的電源環境和系統中都能穩定工作，具有很強的適應性。

2. 低功耗設計

當OE引腳禁用時，芯片進入低功耗模式，電流僅為1μA。在正常工作時，最大功耗也僅為30μA，對于電池供電的便攜式設備來說，這種低功耗特性可以有效延長設備的續航時間。

3. 出色的電學性能

• 低導通電阻：最大 $R{ON}$ 為6Ω，典型 $Delta r{ON}$ 為0.2Ω，能夠有效降低信號傳輸過程中的損耗。
• 低電容：最大 $C_{IO(ON)}$ 為6pF，有助于減少信號的延遲和失真。
• 高帶寬：典型帶寬達到1GHz，可使信號以最小的邊緣和相位失真通過，滿足高速USB 2.0信號的傳輸要求。

4. 高ESD保護能力

該芯片的ESD（靜電放電）防護能力大于2000V（人體模型HBM），能夠有效保護芯片免受靜電干擾和損壞，提高了設備的可靠性和穩定性。

二、應用場景廣泛

TS3USB221可用于多種信號路由場景，包括USB 1.0、1.1和2.0的信號切換，以及移動行業處理器接口（MIPI?）信號路由和MHL 1.0等。在手機、數碼相機、筆記本電腦等設備中，如果USB集線器或控制器的USB I/O數量有限，TS3USB221可以通過在多個USB總線之間切換，有效擴展有限的USB I/O接口，實現一個控制器連接兩個USB連接器的功能。

三、芯片詳細剖析

1. 引腳配置與功能

TS3USB221有兩種封裝形式：DRC（VSON，10）和RSE（UQFN，10），尺寸分別為3mm × 3mm和2mm × 1.5mm。其引腳功能明確，涵蓋了兩個USB端口（1D+、1D-、2D+、2D-）、公共USB端口（D+、D-）、使能引腳（OE）、選擇輸入引腳（S）以及電源引腳（$V_{CC}$）和接地引腳（GND）等。

2. 規格參數

• 絕對最大額定值：規定了芯片在各種條件下的最大承受范圍，如 $V{CC}$ 為 -0.5V至4.6V，$V{IN}$ 和 $V_{IO}$ 為 -0.5V至7V等。超出這些范圍可能會導致芯片永久性損壞。
• ESD額定值：人體模型（HBM）為±2000V，帶電設備模型（CDM）為±1500V，為芯片提供了可靠的靜電防護。
• 推薦工作條件：$V{CC}$ 為2.3V至3.6V，$V{IH}$、$V{IL}$、$V{IO}$ 等參數也有明確的范圍要求，以確保芯片在最佳狀態下工作。
• 熱信息：不同封裝形式的芯片在熱性能上有所差異，如DRC封裝的結到環境熱阻為57.7℃/W，而RSE封裝為204.8℃/W。了解這些熱參數有助于在設計散熱方案時做出合理的決策。
• 電氣特性：包括控制輸入電流、關斷電流、電源電流等多項參數，體現了芯片在不同工作狀態下的電學性能。例如，在低功耗模式下，$I_{CC}$ 僅為1μA。
• 動態電氣特性：在不同的 $V_{CC}$ 電壓下（如3.3V ± 10%和2.5V ± 10%），芯片的串擾（XTALK）、關斷隔離（OIRR）和帶寬（BW）等參數都有相應的典型值，保證了高速信號的穩定傳輸。
• 開關特性：如傳播延遲、線路啟用時間、線路禁用時間等，這些參數對于高速信號的切換速度和準確性至關重要。

3. 參數測量信息

文檔中詳細介紹了各項參數的測量方法和測試條件，包括開關的導通時間（$t{ON}$）、關斷時間（$t{OFF}$）、關斷隔離（$O_{ISO}$）、串擾（XTALK）等，為工程師在實際測試和驗證芯片性能時提供了準確的指導。

四、應用與設計要點

1. 典型應用設計

在典型應用中，TS3USB221可以通過合理配置引腳，實現USB信號的切換。設計時需要遵循USB 1.0、1.1和2.0標準，同時建議將數字控制引腳S和OE上拉到 $V_{CC}$ 或下拉到GND，以避免引腳浮空導致的開關位置異常。

2. 電源供應

芯片的電源應通過 $V{CC}$ 引腳提供，并遵循USB標準。為了減少電源噪聲，建議在 $V{CC}$ 引腳附近放置旁路電容，以提供更好的負載調節能力。

3. 布局設計

• 電容放置：供應旁路電容應盡可能靠近 $V_{CC}$ 引腳，避免靠近D+/D– 走線，以減少干擾。
• 走線長度與阻抗匹配：高速D+/D– 走線長度應匹配且不超過4英寸，同時要確保D+和D– 走線的阻抗與電纜的特性差分阻抗匹配，以保證最佳的眼圖性能。
• 減少信號反射：高速USB信號應盡量減少過孔和拐角的使用，必要時增加過孔周圍的間隙以減小電容。當需要轉彎時，使用兩個45°轉彎或圓弧代替90°轉彎，以減少信號反射和阻抗變化。
• 避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時鐘信號發生器等干擾源附近或下方布線，同時避免高速USB信號線上出現短截線。

五、總結

TS3USB221憑借其寬電壓范圍、低功耗、出色的電學性能和高ESD保護能力，成為高速USB 2.0信號切換的理想選擇。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計需求和系統要求，合理配置芯片的引腳和參數，同時注意電源供應和布局設計等要點，以充分發揮芯片的性能優勢。希望通過本文的介紹，能讓大家對TS3USB221有更深入的了解，在電子設計中做出更明智的選擇。

各位工程師朋友們，你們在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。