TUSB216I：USB 2.0 高速信號調節(jié)器的卓越之選

在當今數(shù)字化時代，USB 接口已成為電子設備中不可或缺的一部分。為了確保 USB 高速信號的穩(wěn)定傳輸，德州儀器（TI）推出了 TUSB216I 這款具有 BC 1.2 控制器的 USB 2.0 高速信號調節(jié)器。本文將深入介紹 TUSB216I 的特性、應用、設計要點等內容，希望能為電子工程師們在設計中提供有價值的參考。

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一、TUSB216I 特性概覽

1.1 信號調節(jié)能力強

TUSB216I 是第三代 USB 2.0 高速信號調節(jié)器，其核心功能是補償傳輸通道中的交流損失（由于電容性負載）和直流損失（由于電阻性負載）。它采用了專利設計，通過邊緣加速器加速 USB 2.0 高速信號的傳輸邊緣，同時利用直流升壓功能提高靜態(tài)電平。此外，預均衡功能可有效提高接收器的靈敏度，補償較長線纜應用中的碼間串擾（ISI）抖動。而且，USB 低速和全速信號特征不受其影響，這為不同速率的 USB 信號傳輸提供了可靠保障。

1.2 電源與兼容性優(yōu)勢

該器件具有寬電源電壓范圍，為 2.3V 至 6.5V，能適應多種電源環(huán)境。同時，超低的 USB 斷開和關斷功耗，有助于降低系統(tǒng)整體能耗。它與 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 協(xié)議兼容，支持低速、全速和高速信號傳輸，具有很強的通用性。

1.3 功能可配置性

TUSB216I 提供了豐富的可配置選項。通過外部下拉電阻器值可實現(xiàn)四種可選的信號增強（邊沿升壓與直流升壓）設置，還能通過上拉或下拉實現(xiàn)三種可選的 RX 靈敏度設置，以補償高損耗應用中的 ISI 抖動。這種可配置性使得工程師能夠根據(jù)具體應用場景進行靈活調整，優(yōu)化信號傳輸質量。

1.4 長距離傳輸支持

它支持長達 5m 的電纜，在使用長達 5 米的線纜時，可幫助系統(tǒng)通過 USB 2.0 高速近端眼圖合規(guī)性測試。并且，支持長達 10m 的電纜和兩臺 TUSB216I 器件的可擴展解決方案，器件可通過菊花鏈連接用于高損耗應用，大大拓展了其應用范圍。

1.5 引腳兼容性良好

TUSB216I 與 TUSB211A、212、214 和 217A 引腳兼容（3.3V），這為工程師在設計升級或替換時提供了便利，降低了設計成本和風險。

二、TUSB216I 應用領域

TUSB216I 的廣泛特性使其適用于眾多領域，包括但不限于筆記本電腦、臺式機或擴展塢、便攜式電子產品、平板電腦、手機、電視等設備，以及有源電纜、電纜擴展器、背板等應用場景。在這些應用中，TUSB216I 能夠有效解決 USB 高速信號傳輸中的損耗問題，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

三、器件對比分析

與同類型的 TUSB211A、TUSB212、TUSB214 和 TUSB217A 相比，TUSB216I 在多個方面具有獨特優(yōu)勢。例如，在電源范圍上，TUSB216I 為 2.3V 至 6.5V，而 TUSB212 和 TUSB214 僅為 3.3V，更寬的電源范圍使得 TUSB216I 能適應更多的電源環(huán)境。在 RX 預均衡方面，TUSB216I 具有 3 個級別，而 TUSB211A、TUSB212 和 TUSB214 則不具備該功能，這使得 TUSB216I 在補償 ISI 方面表現(xiàn)更出色。在充電端口控制器方面，TUSB216I 的 CDP 控制器可通過引腳控制，具有更高的靈活性。

四、引腳配置與功能

4.1 主要引腳功能

• BOOST 引腳（6 號）：用于通過外部下拉電阻選擇 USB 高速升壓。在非 I2C 模式下，邊沿升壓和直流升壓由單個引腳控制；在 I2C 模式下，可分別控制。上電時采樣，不識別實時調整，浮空時自動選擇 BOOST LEVEL = 3。
• CDP_ENZ 引腳（11 號）：低電平可啟用 BC 1.2 CDP 電池充電控制器，內部有 500kΩ 上拉電阻。
• RX_SEN 3ENA_HS 引腳（9 號）：在 I2C 模式下，保留用于 TI 測試；在非 I2C 模式下，復位時為 3 級輸入信號 RX_SEN，用于設置 USB 高速 RX 靈敏度以補償 ISI 抖動；復位后為輸出信號 ENA_HS，指示通道處于高速模式。
• D2P（7 號）和 D2M（8 號）引腳：分別為 USB 高速正、負端口。
• GND 引腳（10 號）：接地引腳。
• D1M（1 號）和 D1P（2 號）引腳：同樣為 USB 高速正、負端口。
• SDA（3 號）引腳：在 I2C 模式下為雙向 I2C 數(shù)據(jù)引腳，7 位 I2C 從地址為 0x2C；在非 I2C 模式下，保留用于 TI 測試。
• VCC 引腳（12 號）：供電引腳。
• RSTN 引腳（5 號）：用于設備禁用/啟用，低電平設備處于復位和關機狀態(tài)，高電平為正常運行。建議連接 0.1μF 外部電容到地，以確保復位時電源干凈。
• SCL（4 號）引腳：在 I2C 模式下為 I2C 時鐘引腳，I2C 地址為 0x2C；在非 I2C 模式下，復位后為輸出 CD，指示 USB 設備是否連接。

4.2 引腳使用注意事項

工程師在使用這些引腳時，需要注意不同引腳的電平要求、上拉/下拉電阻的配置以及引腳的功能切換條件等。例如，在使用 I2C 模式時，SDA 和 SCL 引腳的上拉電阻需要根據(jù) I2C 總線電壓進行合理配置；在設置 BOOST 和 RX_SEN 引腳時，要根據(jù)具體的應用場景和信號要求進行選擇。

五、規(guī)格參數(shù)詳解

5.1 絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運行至關重要。TUSB216I 的絕對最大額定值包括：

• 電源電壓范圍（VCC）為 -0.3V 至 7V。
• USB 數(shù)據(jù)電壓范圍（DxP、DxM）為 -0.3V 至 5.5V。
• BOOST 引腳電壓范圍為 -0.3V 至 1.98V。
• 其他引腳（RX_SEN、CDP_ENZ、SDA、SCL、RSTN）電壓范圍為 -0.3V 至 5.5V。
• 存儲溫度范圍為 -65℃ 至 150℃。
• 最大結溫（TJ (max)）為 125℃。

需要注意的是，超出這些絕對最大額定值可能會導致器件永久性損壞，在設計時必須嚴格遵守。

5.2 ESD 評級

TUSB216I 的靜電放電（ESD）評級為：人體模型（HBM）±2000V，帶電設備模型（CDM）±750V。這表明該器件在一定程度上能夠抵抗靜電干擾，但在實際應用中，仍然需要采取適當?shù)?ESD 防護措施，以確保器件的可靠性。

5.3 推薦工作條件

推薦工作條件是保證器件性能穩(wěn)定的關鍵。TUSB216I 的推薦工作條件包括：

• 電源電壓（Vcc）為 2.3V 至 6.5V，典型值為 5V。
• 工業(yè)級工作環(huán)境溫度（TA）為 -40℃ 至 85℃。
• 結溫（TJ）最大為 105℃。
• I2C 總線電壓（VI2C_BUS）為 1.62V 至 3.6V。
• USB 數(shù)據(jù)電壓范圍（DxP、DxM）為 0V 至 3.6V。
• BOOST 引腳電壓范圍為 0V 至 1.98V。
• 其他數(shù)字引腳（SCL、SDA、RSTN、CDP_ENZ）電壓范圍為 0V 至 3.6V。
• RX_SEN 引腳電壓范圍為 0V 至 5.0V。

5.4 熱信息

熱信息對于評估器件在不同散熱條件下的性能非常重要。TUSB216I 的熱信息包括：

• 結到環(huán)境的熱阻（RO JA）為 137.4℃/W。
• 結到外殼（頂部）的熱阻（Ra JC(tcp)）為 62℃/W。
• 結到電路板的熱阻（R JB）為 67.2℃/W。
• 結到頂部的表征參數(shù)（JT）為 1.9℃/W。
• 結到電路板的表征參數(shù)（JB）為 67.3℃/W。

通過這些熱信息，工程師可以合理設計散熱方案，確保器件在正常工作溫度范圍內運行。

5.5 電氣特性

文件中詳細給出了 TUSB216I 在不同測試條件下的電氣特性參數(shù)，如高電平輸出電壓（VoH）、低電平輸出電壓（VoL）、I2C 總線電容（C12c_BUS）、I2C 開漏輸出電流（loL）等。這些參數(shù)是工程師進行電路設計和性能評估的重要依據(jù)，在實際應用中需要根據(jù)具體的設計要求進行參考和調整。

5.6 開關特性

開關特性主要涉及 USB 信號的比特率（FBR_DXX）和上升/下降時間（tR/F_DXX）。TUSB216I 在 USB 高速模式下，比特率為 480Mbps，上升/下降時間最小為 100ps。這些特性對于保證 USB 信號的高速、準確傳輸至關重要。

5.7 時序要求

時序要求包括上電時序和 I2C 通信時序。例如，上電時，RSTN 信號有效低電平的最小寬度為 100μs，VCC 必須在 RSTN 釋放前穩(wěn)定 300μs，設備在 RSTN 釋放后最大準備時間為 500μs。I2C 通信在標準模式（100kHz）和快速模式（400kHz）下也有相應的時序要求，如停止建立時間（tsuSTO）、開始保持時間（tHDSTA）等。工程師在設計時必須嚴格遵守這些時序要求，以確保器件正常工作。

六、詳細功能描述

6.1 概述

TUSB216I 主要用于補償 USB 高速傳輸通道中的 ISI 信號損失。它采用專利設計，對 USB 低速和全速信號特性無影響，僅對高速信號進行補償。其與 USB On-The-Go（OTG）和電池充電（BC）規(guī)范兼容，通過外部電阻可實現(xiàn)可編程信號增益，還可通過外部上拉和下拉電阻調整 RX 靈敏度，以克服電纜中的衰減。此外，最多可將 4 個器件進行菊花鏈連接，適用于長距離或高損耗傳輸路徑。

6.2 功能框圖

文檔中給出了 TUSB216I 的功能框圖，它展示了器件內部各個模塊之間的連接和交互關系。通過功能框圖，工程師可以更好地理解器件的工作原理，為電路設計和故障排查提供幫助。

6.3 特性描述

6.3.1 高速升壓

高速升壓功能是 TUSB216I 的重要特性之一，它由邊緣升壓和直流升壓組合而成，可改善 USB2.0 高速信號的眼圖寬度，且與方向無關，適用于 OTG 系統(tǒng)。通過 BOOST 引腳和不同阻值的下拉電阻可配置 4 個級別的升壓，也可通過 I2C 寄存器進行設置。同時，信號調節(jié)器的內部電路可減少可能的過沖。

6.3.2 RX 靈敏度

RX_SEN 引腳為三電平引腳，用于根據(jù)系統(tǒng)通道損耗設置器件的增益。增加 RX 靈敏度可恢復垂直眼圖開口較小的輸入信號，增強弱信號，克服高衰減。

6.4 設備功能模式

6.4.1 低速（LS）模式

TUSB216I 能自動檢測到 LS 連接，此時不啟用信號補償，CD 引腳置高，ENA_HS 引腳置低。

6.4.2 全速（FS）模式

同理，在檢測到 FS 連接時，也不啟用信號補償，CD 引腳置高，ENA_HS 引腳置低。

6.4.3 高速（HS）模式

當檢測到 HS 連接時，TUSB216I 會根據(jù) RX_SEN 引腳的配置和 BOOST 引腳的外部下拉電阻啟用信號補償。此時 CD 引腳和 ENA_HS 引腳均置高。

6.4.4 高速下游端口電氣合規(guī)測試模式

TUSB216I 可檢測到 HS 合規(guī)測試夾具并進入下游端口高速眼圖測試模式。在此模式下，CD 引腳置低，ENA_HS 引腳置高。若在 HS 功能模式下，RSTN 引腳先置低再置高，器件將轉換到 HS 眼圖合規(guī)測試模式，同時啟用信號補償。

6.4.5 關機模式

當 RSTN 引腳置低時，TUSB216I 進入關機模式。在關機模式下，DP、DM 走線通過器件保持連續(xù)，USB 通道仍可正常工作，但無信號補償，CD 引腳也不顯示通道狀態(tài)。

6.4.6 I2C 模式

TUSB216I 支持 100 和 400kHz 的 I2C 通信，用于設備配置、狀態(tài)讀取和測試。在該模式下，SCL 和 SDA 引腳采樣為高時啟用控制器，可通過 I2C 讀寫事務訪問 7 位從地址 0x2C 的 CSR 寄存器。建議在更改值之前設置 CFG_ACTIVE 位，以確保正確啟動到高速模式。

6.4.7 BC 1.2 電池充電控制器

TUSB216I 除了作為信號調節(jié)器外，還具備 BC 1.2 電池充電控制器功能。當 CDP_ENZ 引腳置低且 BC 1.2 CDP 控制器啟用時，可在 USB 主機或集線器不提供充電控制功能的應用中發(fā)揮作用，支持 CDP 充電下游端口功能。若 CDP_ENZ 引腳浮空，由于內部上拉電阻，CDP 控制器將被禁用。

6.5 TUSB216 寄存器

TUSB216I 有多個寄存器，如 EDGE_BOOST 寄存器（偏移量 = 0x1）用于設置邊緣升壓級別，CONFIGURATION 寄存器（偏移量 = 0x3）用于選擇設備模式，DC_BOOST 寄存器（偏移量 = 0xE）用于設置直流升壓級別，RX_SEN 寄存器（偏移量 = 0x25）用于設置 RX 靈敏度級別。這些寄存器的設置對于優(yōu)化器件的性能至關重要，工程師需要根據(jù)具體的應用需求進行合理配置。

七、應用與實現(xiàn)

7.1 應用信息

TUSB216I 的主要目的是恢復 USB 高速通道到 USB 連接器的信號完整性。由于高損耗 PCB 走線和其他容性負載組件會降低通道帶寬，導致信號質量下降，可能使通道無法通過 USB 近端眼圖測試。合理使用 TUSB216I 可幫助系統(tǒng)通過該測試。此外，還可利用其 CD 引腳控制客戶平臺上的其他模塊。

7.2 典型應用

文檔給出了 TUSB216I 的典型應用原理圖，其中 D2P 和 D2M 面向 USB 連接器，D1P 和 D1M 面向 USB 主機，方向也可相反。在設計時，需要根據(jù)具體的應用場景和要求進行合理布局。

7.2.1 設計要求

• 電源與復位：TUSB216I 需要有效的復位信號。若微控制器按推薦驅動 RSTN 引腳，則 RSTN 引腳處的電容不是必需的。
• 參數(shù)設置：根據(jù)不同的電源電壓和系統(tǒng)損耗情況，文檔給出了相應的設計參數(shù)表。例如，對于 5V 高損耗系統(tǒng)、3.3V 低至中等損耗系統(tǒng)以及 2.3V 至 4.3V VBAT 低至中等損耗系統(tǒng)，分別列出了電源電壓、I2C 支持要求、邊緣和直流升壓設置、RX 靈敏度設置等參數(shù)。需要注意的是，這些參數(shù)僅為起始值，可能需要根據(jù)具體的主機或設備、電纜長度和損耗情況進行進一步調整。

7.2.2 詳細設計步驟

• BOOST 和 RX 靈敏度設置：理想的 BOOST 設置取決于目標平臺的信號鏈損耗特性，建議從 BOOST 級別 0 開始，逐步