探索TS3USB221：高速USB 2.0信號(hào)切換的理想之選

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，高速USB 2.0接口的應(yīng)用極為廣泛。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效切換和傳輸，一款性能出色的開關(guān)芯片至關(guān)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(fù)用器或解復(fù)用器開關(guān)。

文件下載：ts3usb221.pdf

一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

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(dá)5.5V的信號(hào)。其控制引腳輸入與1.8V兼容，這使得它在不同的電源環(huán)境和系統(tǒng)中都能穩(wěn)定工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2. 低功耗設(shè)計(jì)

當(dāng)OE引腳禁用時(shí)，芯片進(jìn)入低功耗模式，電流僅為1μA。在正常工作時(shí)，最大功耗也僅為30μA，對(duì)于電池供電的便攜式設(shè)備來說，這種低功耗特性可以有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

3. 出色的電學(xué)性能

• 低導(dǎo)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(hào)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(hào)的延遲和失真。
• 高帶寬：典型帶寬達(dá)到1GHz，可使信號(hào)以最小的邊緣和相位失真通過，滿足高速USB 2.0信號(hào)的傳輸要求。

4. 高ESD保護(hù)能力

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

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

TS3USB221可用于多種信號(hào)路由場(chǎng)景，包括USB 1.0、1.1和2.0的信號(hào)切換，以及移動(dòng)行業(yè)處理器接口（MIPI?）信號(hào)路由和MHL 1.0等。在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備中，如果USB集線器或控制器的USB I/O數(shù)量有限，TS3USB221可以通過在多個(gè)USB總線之間切換，有效擴(kuò)展有限的USB I/O接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制器連接兩個(gè)USB連接器的功能。

三、芯片詳細(xì)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(gè)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(guī)格參數(shù)

• 絕對(duì)最大額定值：規(guī)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(huì)導(dǎo)致芯片永久性損壞。
• ESD額定值：人體模型（HBM）為±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±1500V，為芯片提供了可靠的靜電防護(hù)。
• 推薦工作條件：$V{CC}$ 為2.3V至3.6V，$V{IH}$、$V{IL}$、$V{IO}$ 等參數(shù)也有明確的范圍要求，以確保芯片在最佳狀態(tài)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(jié)到環(huán)境熱阻為57.7℃/W，而RSE封裝為204.8℃/W。了解這些熱參數(shù)有助于在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)做出合理的決策。
• 電氣特性：包括控制輸入電流、關(guān)斷電流、電源電流等多項(xiàng)參數(shù)，體現(xiàn)了芯片在不同工作狀態(tài)下的電學(xué)性能。例如，在低功耗模式下，$I_{CC}$ 僅為1μA。
• 動(dòng)態(tài)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?dāng)_（XTALK）、關(guān)斷隔離（OIRR）和帶寬（BW）等參數(shù)都有相應(yīng)的典型值，保證了高速信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。
• 開關(guān)特性：如傳播延遲、線路啟用時(shí)間、線路禁用時(shí)間等，這些參數(shù)對(duì)于高速信號(hào)的切換速度和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

3. 參數(shù)測(cè)量信息

文檔中詳細(xì)介紹了各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量方法和測(cè)試條件，包括開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間（$t{ON}$）、關(guān)斷時(shí)間（$t{OFF}$）、關(guān)斷隔離（$O_{ISO}$）、串?dāng)_（XTALK）等，為工程師在實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證芯片性能時(shí)提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，TS3USB221可以通過合理配置引腳，實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)的切換。設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循USB 1.0、1.1和2.0標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)建議將數(shù)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(dǎo)致的開關(guān)位置異常。

2. 電源供應(yīng)

芯片的電源應(yīng)通過 $V{CC}$ 引腳提供，并遵循USB標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)載調(diào)節(jié)能力。

3. 布局設(shè)計(jì)

• 電容放置：供應(yīng)旁路電容應(yīng)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(zhǎng)度與阻抗匹配：高速D+/D– 走線長(zhǎng)度應(yīng)匹配且不超過4英寸，同時(shí)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(hào)反射：高速USB信號(hào)應(yīng)盡量減少過孔和拐角的使用，必要時(shí)增加過孔周圍的間隙以減小電容。當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，使用兩個(gè)45°轉(zhuǎn)彎或圓弧代替90°轉(zhuǎn)彎，以減少信號(hào)反射和阻抗變化。
• 避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器等干擾源附近或下方布線，同時(shí)避免高速USB信號(hào)線上出現(xiàn)短截線。

五、總結(jié)

TS3USB221憑借其寬電壓范圍、低功耗、出色的電學(xué)性能和高ESD保護(hù)能力，成為高速USB 2.0信號(hào)切換的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求和系統(tǒng)要求，合理配置芯片的引腳和參數(shù)，同時(shí)注意電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，以充分發(fā)揮芯片的性能優(yōu)勢(shì)。希望通過本文的介紹，能讓大家對(duì)TS3USB221有更深入的了解，在電子設(shè)計(jì)中做出更明智的選擇。

各位工程師朋友們，你們?cè)谑褂妙愃菩酒瑫r(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。