高速USB 2.0信號開關TS3USB31的設計與應用詳解

在當今的電子產品設計中，高速信號傳輸的穩定性和可靠性至關重要。特別是在USB接口的應用中，一款優秀的信號開關能夠大大提升系統的性能。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的TS3USB31 1:1 SPST高速USB 2.0（480 - Mbps）總線隔離開關，看看它能為我們的設計帶來哪些優勢。

文件下載：ts3usb31.pdf

一、產品概述

TS3USB31是一款專門為高速USB 2.0信號切換而設計的1:1 SPST高帶寬開關。它采用了小巧的UQFN封裝，非常適合用于手機、數碼相機和帶集線器的筆記本電腦等手持設備或消費類應用。該開關具有雙向性，對高速信號的衰減極小，同時具備低比特間偏移和高通道間噪聲隔離的特性，完全兼容高速USB 2.0（480 Mbps）等多種標準。

二、產品特性亮點

電源與控制特性

• 寬電壓工作范圍：支持3V和4.3V的(V_{CC})電源電壓，能夠適應不同的電源環境。
• 低電壓兼容控制引腳：控制引腳輸入與1.8V電平兼容，方便與其他低電壓器件接口。
• 低功耗：最大功耗僅為1μA，有助于降低系統的整體功耗。

開關性能特性

• 低導通電阻：最大導通電阻(r{on})為10Ω，典型的通道匹配(Delta r{on})小于0.35Ω，能夠有效減少信號傳輸過程中的損耗。
• 低輸入輸出電容：典型的導通狀態輸入輸出電容(C_{io(ON)})為6pF，有助于提高信號的傳輸速度。

靜電防護特性

經過JESD 22標準的ESD性能測試，能夠承受6000V的人體模型（HBM）、1000V的帶電器件模型（CDM）和250V的機器模型（MM）靜電放電，具有良好的抗靜電能力，保護器件不受靜電損壞。

帶寬特性

典型的 -3dB帶寬達到1220MHz，能夠滿足高速信號的傳輸需求，確保信號在傳輸過程中不會出現嚴重的失真。

封裝特性

采用8引腳的TQFN封裝（1.5mm × 1.5mm），體積小巧，節省電路板空間，便于在小型化設備中使用。

三、產品應用場景

TS3USB31主要用于USB 1.0、1.1和2.0總線的隔離。在實際應用中，當USB總線不使用時，它可以將其隔離，防止不同的USB設備之間相互干擾，從而提高系統的穩定性和可靠性。

四、產品詳細規格與參數

絕對最大額定值

涵蓋了(V{CC})電源電壓、控制輸入電壓、開關I/O電壓等參數的最大和最小值，使用時必須嚴格遵守這些額定值，以避免器件損壞。例如，(V{CC})電源電壓的范圍為 -0.5V至7V。

ESD額定值

人體模型（HBM）為±6000V，帶電器件模型（CDM）為±1000V，體現了器件良好的抗靜電能力。

推薦工作條件

包括(V{CC})電源電壓、控制輸入電壓、數據輸入輸出電壓和工作溫度范圍等。例如，推薦的(V{CC})電源電壓范圍為3V至4.3V，工作溫度范圍為 -40°C至85°C。

電氣特性

詳細列出了輸入鉗位電壓、控制輸入電流、關態輸入輸出電容、導通電阻等參數的測試條件和典型值。例如，在(V_{CC}=3V)，(I = -18mA)的條件下，輸入鉗位電壓(VIK)為 -1.2V。

動態電氣特性

如串擾（XTALK）、關態隔離（OIRR）和帶寬（BW）等參數。在(RL = 50Ω)，(f = 240MHz)的測試條件下，串擾為 -53dB，關態隔離為 -30dB， -3dB帶寬典型值為1220MHz。

開關特性

包括傳播延遲、線路啟用時間、線路禁用時間、輸出端口間偏移等參數。例如，在(RL = 50Ω)，(CL = 5pF)的條件下，傳播延遲典型值為0.25ns。

典型特性曲線

提供了插入損耗/帶寬、關態隔離、串擾等參數隨頻率變化的曲線，幫助工程師更好地了解器件在不同頻率下的性能表現。

五、產品功能模式與工作原理

TS3USB31通過OE引腳進行數字控制，具有兩種工作模式：

• 斷開模式（OE為高電平）：當OE引腳設置為高電平時，信號路徑處于高阻抗狀態，將(D+/D-)引腳與(HSD+/HSD-)引腳隔離。
• 連接模式（OE為低電平）：當OE引腳設置為低電平時，(D+/D-)引腳與(HSD+/HSD-)引腳相連，信號可以正常傳輸。

此外，當(V_{CC}=0V)時，信號路徑處于高阻抗狀態，能夠在器件上電前允許(D+/-)和(HSD+/- )引腳上存在信號，而不會損壞器件，支持部分掉電模式操作。

六、應用設計要點

設計要求

在設計過程中，需要遵循USB 1.0、1.1和2.0標準的要求。同時，為了避免因引腳浮空而導致開關位置異常，建議將數字控制引腳OE上拉至(V_{CC})或下拉至地。

詳細設計步驟

• 外部元件使用：TS3USB31可以在沒有任何外部元件的情況下正常工作，但為了防止信號反射回器件，建議將未使用的引腳通過一個50Ω的電阻連接到地。
• N.C引腳處理：N.C引腳應保持浮空狀態。

電源供應建議

為器件提供電源的(V_{CC})引腳，建議在其附近盡可能靠近地放置一個旁路電容，以平滑低頻噪聲，提高整個頻率范圍內的負載調節能力。由于該器件具有掉電隔離功能，因此在系統中不需要與其他器件進行電源排序。

布局設計指南

• 電容放置：將電源旁路電容盡可能靠近(V_{CC})引腳放置，避免在D+和D - 走線附近放置旁路電容。
• 高速走線要求：高速D+和D - 走線應保持等長，且長度不超過4英寸，以避免眼圖性能下降。同時，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。
• 布線注意事項：盡量減少高速USB信號走線的過孔和拐角數量，當必須使用過孔時，應增加其周圍的間隙大小，以減少電容。避免在晶體、振蕩器、時鐘信號發生器、開關穩壓器、安裝孔、磁性設備或使用或復制時鐘信號的IC附近或下方布線。避免在高速USB信號上出現短截線，如果無法避免，短截線長度應小于200mm。
• 多層板設計：建議使用至少四層的印刷電路板，其中兩層信號層由一層接地層和一層電源層隔開。大多數信號走線應在同一層上運行，最好是頂層，緊鄰該層的應為完整的接地平面。

七、總結與思考

TS3USB31作為一款高性能的高速USB 2.0信號開關，具有眾多優秀的特性和廣泛的應用場景。在實際設計中，我們需要充分考慮其各項參數和設計要求，合理布局和使用，以確保系統的穩定性和可靠性。同時，我們也可以思考如何進一步優化設計，提高系統的性能，例如在不同的應用場景中如何更好地利用其低功耗和高帶寬特性。希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師們更好地了解和應用TS3USB31這款產品。