高速USB信號切換的利器：TS3USB221詳解

在電子設備設計領域，高速信號的切換與傳輸一直是工程師們關注的重點。特別是在USB接口廣泛應用的今天，如何高效、穩定地切換USB信號成為了一個關鍵問題。TI公司的TS3USB221高速USB 2.0（480Mbps）1:2復用器或解復用器開關，為解決這一問題提供了優秀的解決方案。

文件下載：ts3usb221.pdf

特性亮點

電氣性能優越

TS3USB221的工作電壓范圍為2.3V至3.6V，V1/O能接受高達5.5V的信號，控制引腳輸入與1.8V兼容。在低功耗方面表現出色，當OE禁用時進入低功耗模式，電流僅為1μA，最大功耗僅30μA。其導通電阻 (R{ON}) 最大為6Ω，典型 (Delta r{ON}) 為0.2Ω，(C_{IO(ON)}) 最大為6pf，這些參數確保了信號傳輸的低損耗和高穩定性。

ESD防護能力強

該器件的ESD（靜電放電）防護能力大于2000V（人體模型HBM），能有效抵抗靜電干擾，提高了設備在復雜環境下的可靠性。

高帶寬設計

具有典型1GHz的高帶寬，能夠讓信號以最小的邊緣和相位失真通過，非常適合高速USB 2.0信號的切換。

應用場景廣泛

USB信號路由

可用于USB 1.0、1.1和2.0信號的路由，在移動行業處理器接口（MIPI?）信號路由以及MHL 1.0等場景中也能發揮重要作用。對于USB集線器或控制器USB I/O有限的情況，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，還能將單個控制器連接到兩個USB連接器。

深入了解TS3USB221

引腳配置與功能

TS3USB221有DRC（VSON，10）和RSE（UQFN，10）兩種封裝形式。其引腳包括用于USB端口的1D+、1D - 、2D+、2D - 、D+、D - ，控制引腳OE（總線開關使能）、S（選擇輸入），以及電源引腳Vcc和接地引腳GND。每個引腳都有其特定的功能，共同實現了信號的切換和控制。

規格參數

絕對最大額定值

涵蓋了電源電壓、控制輸入電壓、開關I/O電壓等多個參數的最大和最小值，超出這些范圍可能會導致設備永久性損壞。例如，電源電壓 (V_{CC}) 的范圍是 - 0.5V至4.6V。

ESD額定值

人體模型（HBM）下ESD為 + 2000V，帶電設備模型（CDM）下為 ± 1500V，這表明該器件具有較好的靜電防護能力。

推薦工作條件

規定了電源電壓、控制輸入電壓、數據輸入/輸出電壓和工作溫度等參數的合適范圍，在這些條件下設備能正常工作。如電源電壓 (V_{CC}) 推薦范圍是2.3V至3.6V。

電氣特性

包括控制輸入電流、開關斷開時的漏電流、電源電流等多個參數，這些參數反映了設備在不同工作狀態下的電氣性能。例如，控制輸入電流 (I{IN}) 在 (V{CC}) 為3.6V、2.7V、0V，(V_{IN}) 為0V至3.6V時，最大為 ± 1μA。

動態電氣特性

在不同電源電壓（如 (V{CC}=3.3V pm 10%) 和 (V{CC}=2.5V pm 10%) ）下，測試了串擾、關斷隔離和帶寬等參數。典型情況下，帶寬（ - 3dB）都能達到1GHz，串擾和關斷隔離指標也較為優秀。

開關特性

包括傳播延遲、線路啟用時間、線路禁用時間和輸出偏斜等參數，這些參數對于高速信號的準確切換至關重要。例如，在 (V{CC}=3.3V pm 10%) 時，傳播延遲 (t{pd}) 典型值為0.25ns，最大為30ns。

典型特性曲線

文檔中給出了增益與頻率、關斷隔離與頻率、串擾與頻率以及導通電阻與輸入電壓等典型特性曲線，通過這些曲線可以直觀地了解設備在不同頻率和電壓下的性能表現。

應用設計要點

設計要求

要遵循USB 1.0、1.1和2.0標準，建議將數字控制引腳S和 (overline{OE}) 上拉到 (V_{CC}) 或下拉到GND，以避免因引腳浮空導致的開關位置異常。

詳細設計步驟

TS3USB221在無外部組件的情況下也能正常工作，但為防止信號反射回設備，建議將未使用的引腳通過50Ω電阻接地。

電源供應建議

確保通過 (V{CC}) 引腳為設備供電，并遵循USB標準。在 (V{CC}) 引腳附近放置旁路電容，有助于平滑低頻噪聲，提供更好的負載調節。

布局注意事項

1. 電容放置：旁路電容應盡量靠近 (V_{CC}) 引腳，避免靠近D + /D - 走線。
2. 走線長度匹配：高速D + /D - 走線長度應匹配且不超過4英寸，以保證眼圖性能。同時，要確保D + 和D - 走線的阻抗與電纜特性差分阻抗匹配。
3. 減少信號反射：高速USB信號路由應盡量減少過孔和拐角的使用，必須使用過孔時，增大過孔周圍的間隙尺寸。避免在雙絞線線路上設計測試點，如需轉彎，使用兩個45°轉彎或圓弧代替90°轉彎。
4. 避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時鐘信號發生器、開關穩壓器、安裝孔、磁性設備或使用時鐘信號的IC附近或下方路由USB走線。
5. 避免信號反射：避免高速USB信號上出現Stub，若不可避免，Stub長度應小于200mm。
6. 多層板設計：建議使用至少四層的印刷電路板，確保大部分信號走線在同一層，且GND平面緊鄰該層。

總結

TS3USB221憑借其優越的電氣性能、廣泛的應用場景和詳細的設計指導，為電子工程師在高速USB信號切換設計中提供了可靠的選擇。在實際應用中，工程師們需要根據具體的設計需求和場景，合理運用TS3USB221的各項特性，并嚴格遵循設計要點，以確保設備的高性能和穩定性。大家在使用TS3USB221的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享交流。