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由于PC主機(jī)與便攜式設(shè)備如手機(jī)之間所需的數(shù)據(jù)吞吐量不斷增大，USB 2.0高速I/O (480Mbps) 在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域的使用日益增多。在功能性的需求帶動(dòng)下，外設(shè)設(shè)備控制器或基帶處理器需要接入U(xiǎn)SB端口，以便與外部PC主機(jī)進(jìn)行通信。在這類應(yīng)用中，高速USB開關(guān)需要用來(lái)滿足市場(chǎng)對(duì)于更快速的上載和下載需求。本文將舉例說(shuō)明如何使用高速USB開關(guān)減低整體應(yīng)用的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。此外，本文會(huì)提供一些設(shè)計(jì)建議，以解決高速設(shè)計(jì)的帶寬限制和眼開難題。還會(huì)描述詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，說(shuō)明如何利用沿著數(shù)據(jù)路徑的開關(guān)將附加抖動(dòng)減至最小，并且符合高速USB眼罩要求。 新興應(yīng)用示例 由于3G手機(jī)的功能聚合增多，MP3播放器或數(shù)字相機(jī)等功能現(xiàn)需要系統(tǒng)存儲(chǔ)器之外的附加存儲(chǔ)器。市場(chǎng)現(xiàn)行一般的解決方案是使用可移除存儲(chǔ)器，如SD卡或更小型的MMC卡。隨著更多的視頻流功能在市場(chǎng)上出現(xiàn)，如TV節(jié)目錄制，未來(lái)高端手機(jī)設(shè)計(jì)的嵌入式硬盤功能需要具備更高的存儲(chǔ)量和更低的成本。硬盤手機(jī)的一項(xiàng)獨(dú)到功能是USB 2.0的高速能力，可在PC主機(jī)和手機(jī)之間達(dá)到480Mbps數(shù)據(jù)吞吐量，而且USB 1.1全速模式提供更快的上載和下載檔案速度。然而，傳統(tǒng)的全速USB模式仍然存在于基帶處理器中，用以滿足其它功能需求如地址本同步等。 現(xiàn)有的架構(gòu)是硬盤控制器在基帶處理器的外面。但不幸地，USB串行數(shù)據(jù)線路不能直接扎在一起共享通用的微型USB連接器，因?yàn)閮蓷lD+ 線路都具有1.5KΩ上拉電阻。即使其中一個(gè)USB輸出停用，懸掛在數(shù)據(jù)總線上的跡線也會(huì)因?yàn)閁SB高速信號(hào)具有高擺率 (上升/下降時(shí)間快至500ps) 而引起信號(hào)反射，結(jié)果會(huì)帶來(lái)高速眼罩方面的風(fēng)險(xiǎn)。本文稍后將討論如何將高速USB信號(hào)的DC和AC眼開拓至最大。圖1所示為這類應(yīng)用的多個(gè)解決方案。在這個(gè)圖中，高速USB開關(guān)位于兩個(gè)USB輸出之間，共享同一個(gè)D+/D- 連接器，這樣當(dāng)其中一個(gè)USB口不在通信狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的多余跡線可以被有效地切斷。當(dāng)然，圖1的架構(gòu)還適用于纖細(xì)型手機(jī)設(shè)計(jì)，需要在高速USB端口和基帶處理器的UART輸出之間共享USB連接器。 圖1 高速低功率(<1uA) USB開關(guān)允許全速和高速USB信號(hào)共享單個(gè)USB連接端口 圖2是飛兆半導(dǎo)體USB開關(guān) (FSUSB20) 的輸出眼開，采用高速硬盤輸出測(cè)試，并通過(guò)了眼開的合格測(cè)試。這種開關(guān)具有小型封裝選項(xiàng) (MicroPakTM: 1.6mm x 2.1mm) 和低靜態(tài)功耗 (<1uA)，非常適合電池供電應(yīng)用所采用，如手機(jī)、筆記本電腦和PDA。此外，MicroPak等無(wú)引線封裝可將引腳電感減至最小，有助于提升數(shù)據(jù)路徑帶寬，從而提升眼開性能。 圖2 飛兆半導(dǎo)體FSUSB20符合高速USB眼開要求 圖3是USB開關(guān)盒應(yīng)用，允許兩個(gè)計(jì)算機(jī)共享同一個(gè)USB器件，例如在家居或辦公室的打印機(jī)或掃描儀應(yīng)用。只需通過(guò)面板上的手動(dòng)開關(guān)或軟件指令即可進(jìn)行控制。在這類應(yīng)用中，具有750MHz -3db帶寬的雙極雙通高帶寬開關(guān) (如FSUSB20) 便可完全滿足要求，輕易通過(guò)USB 2.0高速 (480Mbps) 吞吐量的第三階諧波頻率(720MHz)。 圖3 高速USB開關(guān)盒應(yīng)用中的高速USB開關(guān) 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決方案 如前所述，為了將USB高速眼圖的眼開拓至最大，AC和DC因素都需要加以考慮。DC因素主要指USB開關(guān)的DC插入損耗，要求開關(guān)具有低導(dǎo)通阻抗。當(dāng)終端為45Ω時(shí)，導(dǎo)通阻抗為10Ω的開關(guān)為400mV高速USB輸入提供327mV輸出信號(hào)擺幅。推薦使用低導(dǎo)通阻抗的開關(guān)來(lái)提高噪聲裕量。但如果過(guò)于強(qiáng)調(diào)最小插入損耗或低導(dǎo)通阻抗，可能會(huì)誤導(dǎo)設(shè)計(jì)人員作出錯(cuò)誤的開關(guān)選擇。相位抖動(dòng)和相位降級(jí)等AC效應(yīng)會(huì)帶來(lái)更高不符眼開要求的風(fēng)險(xiǎn)。相位抖動(dòng)的主因之一是沿著數(shù)據(jù)路徑的帶寬較低，造成信號(hào)的確定性抖動(dòng)。此外，開關(guān)的較高帶寬會(huì)容許高階諧波成分 (高速USB數(shù)據(jù)的三次諧波為720MHz) 通過(guò)，從而加速信號(hào)邊沿的上升/下降時(shí)間。這些高頻成分使得信號(hào)邏輯變換遠(yuǎn)離于所需的掩膜。 便攜式設(shè)計(jì)應(yīng)用講求卓越的ESD保護(hù)性能，通常使用外部ESD保護(hù)二極管以滿足系統(tǒng)的ESD需求 (一般 >15KV)。這些保護(hù)二極管需要小心選擇。它們的寄生電容由1pf 至 10pf不等。ESD電容通常會(huì)給開關(guān)帶來(lái)很重的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致帶寬曲線快速變化。在這些應(yīng)用中，低電容ESD抑制器很受歡迎。但是，如果模擬開關(guān)本身具有較大的帶寬，將可為外部ESD保護(hù)器件帶來(lái)更多的電容性負(fù)載預(yù)算和更多的選擇。如果降低ESD寄生電容，數(shù)據(jù)路徑將會(huì)獲得更高的帶寬。為了將反射降至最低，理想情況下USB開關(guān)應(yīng)很靠近USB控制器從而被視為輸出的直接負(fù)載。這是基于USB控制器輸出相對(duì)于USB眼罩有足夠的裕量的假設(shè)。在有些設(shè)計(jì)中，USB控制器輸出具有相對(duì)較慢的上升或下降沿以及較小的輸出幅度，將USB開關(guān)放在距離USB控制器相對(duì)遠(yuǎn)一點(diǎn)的位置會(huì)有利于降低開關(guān)寄生電容對(duì)輸出的影響。這樣會(huì)降低上升下降沿的失真,但是要付出信號(hào)反射的代價(jià)。所以這里在信號(hào)反射和上升及下降沿低垂之間存在一個(gè)權(quán)衡。建議將ESD保護(hù)器件盡量靠近連接器置放。當(dāng)然，沿著數(shù)據(jù)路徑的跡線和線頭長(zhǎng)度越短，越能提高信號(hào)的帶寬，從而改善相位抖動(dòng)性能。 便攜式USB設(shè)計(jì)的另一個(gè)難題是電源。許多手機(jī)的電路管理單元具有3.3V 和2.7V輸出，但建議使用3.3V電源為圖1所示應(yīng)用的模擬開關(guān)供電，以達(dá)到全速模式下的2.8V最小VOH 輸出要求。這是因?yàn)槿绻鳈C(jī)只有全速能力，高速外設(shè)便需要在全速模式下工作。此外，模擬開關(guān)的功耗很少 (靜態(tài)電流 <1uA)，建議即使在待機(jī)模式下也應(yīng)將電源置于開啟狀態(tài)。 結(jié)語(yǔ) 新一代的手機(jī)將結(jié)合新興的USB OTG I/O和更高的吞吐量以滿足未來(lái)的多媒體應(yīng)用需求，因此，高速的便攜式設(shè)備將會(huì)日益流行。模擬開關(guān)具有寬帶寬、較小型封裝和較高的ESD性能，將協(xié)助用戶有效地縮短增設(shè)附加功能的設(shè)計(jì)周期、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并同時(shí)提供流暢而又經(jīng)濟(jì)的終端應(yīng)用。 |
