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由于PC主機與便攜式設備如手機之間所需的數據吞吐量不斷增大，USB 2.0高速I/O (480Mbps) 在便攜式應用領域的使用日益增多。在功能性的需求帶動下，外設設備控制器或基帶處理器需要接入USB端口，以便與外部PC主機進行通信。在這類應用中，高速USB開關需要用來滿足市場對于更快速的上載和下載需求。本文將舉例說明如何使用高速USB開關減低整體應用的設計復雜性。此外，本文會提供一些設計建議，以解決高速設計的帶寬限制和眼開難題。還會描述詳細的設計方案，說明如何利用沿著數據路徑的開關將附加抖動減至最小，并且符合高速USB眼罩要求。 新興應用示例 由于3G手機的功能聚合增多，MP3播放器或數字相機等功能現需要系統存儲器之外的附加存儲器。市場現行一般的解決方案是使用可移除存儲器，如SD卡或更小型的MMC卡。隨著更多的視頻流功能在市場上出現，如TV節目錄制，未來高端手機設計的嵌入式硬盤功能需要具備更高的存儲量和更低的成本。硬盤手機的一項獨到功能是USB 2.0的高速能力，可在PC主機和手機之間達到480Mbps數據吞吐量，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。 現有的架構是硬盤控制器在基帶處理器的外面。但不幸地，USB串行數據線路不能直接扎在一起共享通用的微型USB連接器，因為兩條D+ 線路都具有1.5KΩ上拉電阻。即使其中一個USB輸出停用，懸掛在數據總線上的跡線也會因為USB高速信號具有高擺率 (上升/下降時間快至500ps) 而引起信號反射，結果會帶來高速眼罩方面的風險。本文稍后將討論如何將高速USB信號的DC和AC眼開拓至最大。圖1所示為這類應用的多個解決方案。在這個圖中，高速USB開關位于兩個USB輸出之間，共享同一個D+/D- 連接器，這樣當其中一個USB口不在通信狀態時，對應的多余跡線可以被有效地切斷。當然，圖1的架構還適用于纖細型手機設計，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開關允許全速和高速USB信號共享單個USB連接端口 圖2是飛兆半導體USB開關 (FSUSB20) 的輸出眼開，采用高速硬盤輸出測試，并通過了眼開的合格測試。這種開關具有小型封裝選項 (MicroPakTM: 1.6mm x 2.1mm) 和低靜態功耗 (<1uA)，非常適合電池供電應用所采用，如手機、筆記本電腦和PDA。此外，MicroPak等無引線封裝可將引腳電感減至最小，有助于提升數據路徑帶寬，從而提升眼開性能。 圖2 飛兆半導體FSUSB20符合高速USB眼開要求 圖3是USB開關盒應用，允許兩個計算機共享同一個USB器件，例如在家居或辦公室的打印機或掃描儀應用。只需通過面板上的手動開關或軟件指令即可進行控制。在這類應用中，具有750MHz -3db帶寬的雙極雙通高帶寬開關 (如FSUSB20) 便可完全滿足要求，輕易通過USB 2.0高速 (480Mbps) 吞吐量的第三階諧波頻率(720MHz)。 圖3 高速USB開關盒應用中的高速USB開關 設計挑戰和解決方案 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開關的DC插入損耗，要求開關具有低導通阻抗。當終端為45Ω時，導通阻抗為10Ω的開關為400mV高速USB輸入提供327mV輸出信號擺幅。推薦使用低導通阻抗的開關來提高噪聲裕量。但如果過于強調最小插入損耗或低導通阻抗，可能會誤導設計人員作出錯誤的開關選擇。相位抖動和相位降級等AC效應會帶來更高不符眼開要求的風險。相位抖動的主因之一是沿著數據路徑的帶寬較低，造成信號的確定性抖動。此外，開關的較高帶寬會容許高階諧波成分 (高速USB數據的三次諧波為720MHz) 通過，從而加速信號邊沿的上升/下降時間。這些高頻成分使得信號邏輯變換遠離于所需的掩膜。 便攜式設計應用講求卓越的ESD保護性能，通常使用外部ESD保護二極管以滿足系統的ESD需求 (一般 >15KV)。這些保護二極管需要小心選擇。它們的寄生電容由1pf 至 10pf不等。ESD電容通常會給開關帶來很重的負擔，導致帶寬曲線快速變化。在這些應用中，低電容ESD抑制器很受歡迎。但是，如果模擬開關本身具有較大的帶寬，將可為外部ESD保護器件帶來更多的電容性負載預算和更多的選擇。如果降低ESD寄生電容，數據路徑將會獲得更高的帶寬。為了將反射降至最低，理想情況下USB開關應很靠近USB控制器從而被視為輸出的直接負載。這是基于USB控制器輸出相對于USB眼罩有足夠的裕量的假設。在有些設計中，USB控制器輸出具有相對較慢的上升或下降沿以及較小的輸出幅度，將USB開關放在距離USB控制器相對遠一點的位置會有利于降低開關寄生電容對輸出的影響。這樣會降低上升下降沿的失真,但是要付出信號反射的代價。所以這里在信號反射和上升及下降沿低垂之間存在一個權衡。建議將ESD保護器件盡量靠近連接器置放。當然，沿著數據路徑的跡線和線頭長度越短，越能提高信號的帶寬，從而改善相位抖動性能。 便攜式USB設計的另一個難題是電源。許多手機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所示應用的模擬開關供電，以達到全速模式下的2.8V最小VOH 輸出要求。這是因為如果主機只有全速能力，高速外設便需要在全速模式下工作。此外，模擬開關的功耗很少 (靜態電流 <1uA)，建議即使在待機模式下也應將電源置于開啟狀態。 結語 新一代的手機將結合新興的USB OTG I/O和更高的吞吐量以滿足未來的多媒體應用需求，因此，高速的便攜式設備將會日益流行。模擬開關具有寬帶寬、較小型封裝和較高的ESD性能，將協助用戶有效地縮短增設附加功能的設計周期、縮短產品上市時間，并同時提供流暢而又經濟的終端應用。 |
