TUSB215：USB 2.0 高速信號(hào)調(diào)節(jié)器的卓越之選

在當(dāng)今數(shù)字化飛速發(fā)展的時(shí)代，USB 接口作為數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備連接的重要橋梁，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。然而，隨著傳輸距離的增加和信號(hào)的衰減，信號(hào)質(zhì)量往往會(huì)受到影響，從而影響設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。為了解決這一問(wèn)題，德州儀器（TI）推出了 TUSB215 USB 2.0 高速信號(hào)調(diào)節(jié)器，為 USB 高速信號(hào)的傳輸提供了可靠的解決方案。

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產(chǎn)品概述

TUSB215 是一款專為補(bǔ)償傳輸通道中的 ISI 信號(hào)損失而設(shè)計(jì)的 USB 高速（HS）信號(hào)調(diào)節(jié)器。它能夠有效幫助設(shè)備通過(guò) USB 電氣合規(guī)性測(cè)試，確保信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性。該器件具有多項(xiàng)出色的特性，使其在眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出。

特性亮點(diǎn)

1. 兼容性強(qiáng)：與 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 兼容，引腳搭接或可通過(guò) I2C 進(jìn)行配置，具有廣泛的適用性。
2. 充電功能：集成 USB BC1.2 充電下行端口（CDP）控制器，可實(shí)現(xiàn)充電功能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
3. 信號(hào)傳輸支持：支持 LS、FS 和 HS 信號(hào)傳輸，且對(duì) USB 低速（LS）和全速（FS）信號(hào)無(wú)感知，不影響其信號(hào)特征，僅對(duì) HS 信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
4. 低功耗設(shè)計(jì)：具備超低 USB 斷開(kāi)和關(guān)斷功耗，有助于降低設(shè)備的整體功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
5. 可擴(kuò)展性：提供可擴(kuò)展解決方案，可用于高損耗應(yīng)用的菊花鏈器件，滿足不同系統(tǒng)的需求。
6. 端口互換性：D1P/M 和 D2P/M 可互換且主機(jī)/設(shè)備不可知，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
7. 電纜長(zhǎng)度支持：支持長(zhǎng)達(dá) 5 米的通道前或 2 米的通道后電纜長(zhǎng)度，通過(guò)外部下拉電阻器實(shí)現(xiàn)四種可選交流升壓設(shè)置，結(jié)合直流升壓與交流升壓，可實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)完整性。

應(yīng)用領(lǐng)域

TUSB215 的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)、擴(kuò)展塢、平板電腦、手機(jī)、有源電纜、電纜擴(kuò)展器、背板以及電視等眾多設(shè)備。在這些設(shè)備中，TUSB215 能夠有效提升 USB 高速信號(hào)的傳輸質(zhì)量，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

技術(shù)規(guī)格

絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓范圍（VCC）：-0.3V 至 6V
• I/O 引腳電壓范圍：-0.3V 至 3.8V
• 存儲(chǔ)溫度（Tstg）：-65℃ 至 150℃

ESD 評(píng)級(jí)

• 人體模型（HBM）：+2000V
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：+500V

推薦工作條件

• 電源電壓（Vcc）：4.4V 至 5.5V
• 環(huán)境溫度（TA）：TUSB215 為 0℃ 至 70℃，TUSB215I 為 -40℃ 至 85℃
• 結(jié)溫（TJ）：TUSB215 為 0℃ 至 85℃，TUSB215I 為 -40℃ 至 105℃

電氣特性

TUSB215 在不同工作模式下的電流表現(xiàn)如下：

• 高速活動(dòng)電流（ACTIVE_HS）：典型值為 18mA，最大值為 30mA
• 高速空閑電流（IDLE_HS）：典型值為 13mA，最大值為 22mA
• 高速掛起電流（IsUSPEND_HS）：典型值為 0.76mA，最大值為 1.5mA
• 全速/低速電流（IFS_LS）：典型值為 0.77mA，最大值為 1.5mA
• 斷開(kāi)電流（DISCONNECT）：典型值為 0.86mA，最大值為 1.5mA
• 禁用電流（IRSTN）：典型值為 22μA，最大值為 80μA

此外，還給出了各引腳的相關(guān)電氣參數(shù)，如輸入電壓、輸入電流、電阻值等，為工程師的設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的參考。

開(kāi)關(guān)特性

• DxP/M 比特率（FBRDXX）：最大值為 480.24Mbps
• DxP/M 上升時(shí)間（tRISEDXX）：最小值為 100ps
• DxP/M 下降時(shí)間（tFALL_DXX）：最小值為 100ps

功能描述

功能框圖

TUSB215 的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理流程。該器件主要由信號(hào)調(diào)節(jié)模塊、充電控制模塊、模式檢測(cè)模塊等組成，各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì) USB 高速信號(hào)的補(bǔ)償和處理。

特性詳細(xì)描述

1. EQ 引腳：用于通過(guò)外部下拉電阻配置設(shè)備的交流升壓，可實(shí)現(xiàn)四種不同的交流升壓級(jí)別。在 RSTN 信號(hào)釋放時(shí)采樣，不識(shí)別實(shí)時(shí)調(diào)整，浮空時(shí)自動(dòng)選擇最大交流升壓級(jí)別。
2. DC_BOOST 引腳：為三電平引腳，用于設(shè)置設(shè)備的直流增益。在復(fù)位時(shí)為 3 級(jí)輸入信號(hào) DC_BOOST，可選擇不同的直流升壓值；復(fù)位后為輸出信號(hào) ENA_HS，指示通道是否處于高速模式。
3. BC1.2 CDP 支持：TUSB215 不僅可以作為信號(hào)調(diào)節(jié)器，還能為不具備 USB BC 充電下行端口（CDP）功能的 USB 主機(jī)或集線器提供該功能。

設(shè)備功能模式

1. 低速（LS）模式：自動(dòng)檢測(cè)到 LS 連接時(shí)，不啟用信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳置高。
2. 全速（FS）模式：自動(dòng)檢測(cè)到 FS 連接時(shí)，不啟用信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳置高。
3. 高速（HS）模式：自動(dòng)檢測(cè)到 HS 連接時(shí)，根據(jù) DC_BOOST 引腳的配置和 EQ 引腳的外部下拉電阻啟用信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳置高。
4. 關(guān)機(jī)模式：當(dāng) RSTN 引腳置低時(shí)，設(shè)備禁用。此時(shí) USB 通道仍可正常工作，但無(wú)信號(hào)補(bǔ)償，CD 引腳無(wú)通道狀態(tài)指示。
5. I2C 模式：支持 100kHz 的 I2C 通信，用于設(shè)備配置、狀態(tài)回讀和測(cè)試。在 RSTN 信號(hào)釋放后，SCL 和 SDA 引腳采樣為高時(shí)啟用該模式，可通過(guò) I2C 讀寫(xiě)操作訪問(wèn)特定寄存器。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

TUSB215 的主要目的是恢復(fù) USB 高速通道到 USB 連接器的信號(hào)完整性。由于高損耗 PCB 走線和其他電容性負(fù)載會(huì)降低通道帶寬，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，甚至使通道無(wú)法通過(guò) USB 近端眼圖掩碼測(cè)試。合理使用 TUSB215 可以有效解決這一問(wèn)題，同時(shí)其直流升壓功能有助于克服電纜和走線的直流損耗。此外，TUSB215 的 CD 引腳還可用于控制客戶平臺(tái)上的其他模塊，并且提供 CDP 控制器功能。

典型應(yīng)用

典型應(yīng)用中，D2P 和 D2M 面向 USB 連接器，D1P 和 D1M 面向 USB 主機(jī)或集線器。當(dāng)然，根據(jù)需求也可將方向反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一些參數(shù)，如電源電壓（Vcc）、是否需要 I2C 支持、交流升壓和直流升壓的設(shè)置等。

詳細(xì)設(shè)計(jì)流程

1. 復(fù)位信號(hào)：TUSB215 需要有效的復(fù)位信號(hào)。若微控制器按推薦驅(qū)動(dòng) RSTN 引腳，則無(wú)需在該引腳添加電容；否則，需添加外部電容以確保設(shè)備在低功耗復(fù)位狀態(tài)。
2. VREG 引腳：該引腳為內(nèi)部 LDO 輸出，需要連接一個(gè) 0.1μF 的外部電容到地，以穩(wěn)定核心電路。
3. 升壓設(shè)置：理想的交流升壓設(shè)置取決于目標(biāo)平臺(tái)的信號(hào)鏈損耗特性，一般建議從交流升壓級(jí)別 0 開(kāi)始，逐步增加；直流升壓設(shè)置同理，建議預(yù)留更改升壓設(shè)置的焊盤(pán)或連接，初始設(shè)置為直流升壓級(jí)別 1。為使設(shè)備識(shí)別交流和直流升壓設(shè)置的更改，需對(duì) RSTN 引腳進(jìn)行切換操作。
4. 設(shè)備放置：設(shè)備的放置位置取決于應(yīng)用目標(biāo)。若要通過(guò) USB 近端掩碼測(cè)試，應(yīng)靠近測(cè)量點(diǎn)；若要通過(guò) USB 遠(yuǎn)端眼圖掩碼測(cè)試，應(yīng)靠近 USB PHY；若要級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備以改善設(shè)備枚舉，應(yīng)放置在每個(gè) USB 互連的中間位置。

測(cè)試流程

在使用示波器合規(guī)軟件構(gòu)建 USB 高速眼圖之前，需遵循以下測(cè)試流程：

主機(jī)端應(yīng)用

1. 將 TUSB215 配置到所需的交流和直流升壓設(shè)置。
2. 給 TUSB215 上電（若已上電，則切換 RSTN 引腳）。
3. 使用 SMA 電纜將示波器和 USB-IF 主機(jī)端測(cè)試夾具連接到 TUSB215。
4. 使主機(jī)發(fā)送 USB TEST_PACKET。
5. 運(yùn)行示波器的 USB 合規(guī)軟件。
6. 重復(fù)上述步驟，以不同設(shè)置重新測(cè)試 TUSB215。

設(shè)備端應(yīng)用

1. 將 TUSB215 配置到所需的交流和直流升壓設(shè)置。
2. 給 TUSB215 上電（若已上電，則切換 RSTN 引腳）。
3. 將 USB 主機(jī)、USB-IF 設(shè)備端測(cè)試夾具和 USB 設(shè)備連接到 TUSB215，并將 USB-IF 設(shè)備測(cè)試夾具設(shè)置為‘INIT’位置。
4. 讓主機(jī)枚舉設(shè)備。
5. 使設(shè)備發(fā)送 USB TEST_PACKET。
6. 使用 SMA 電纜將示波器連接到 USB-IF 設(shè)備端測(cè)試夾具，并將設(shè)備端測(cè)試夾具設(shè)置為‘TEST’位置。
7. 運(yùn)行示波器的 USB 合規(guī)軟件。
8. 重復(fù)上述步驟，以不同設(shè)置重新測(cè)試 TUSB215。

電源供應(yīng)建議

上電時(shí)，RSTN 引腳與上電斜坡的相互作用可能導(dǎo)致數(shù)字電路設(shè)置不正確。為確保數(shù)字電路正確上電復(fù)位，設(shè)備應(yīng)在上電斜坡穩(wěn)定到 4.4V 或更高電壓后再啟用。若微控制器或其他電路無(wú)法在上電斜坡穩(wěn)定前將 RSTN 引腳置低，則需在 RSTN 引腳與地之間連接外部電容，使設(shè)備保持在低功耗復(fù)位狀態(tài)。推薦的最小外部電容值可根據(jù)公式 $C_{RSTN}=[Ramp Time × 5] div[500 kΩ]$ 計(jì)算。

布局建議

布局指南

為避免信號(hào)過(guò)孔，建議將高速走線與 TUSB215 放置在同一表層。布局應(yīng)使用阻抗控制走線，以保持整個(gè)信號(hào)路徑的 90Ω 差分阻抗，遵循高速信號(hào)布線的一般準(zhǔn)則。

布局示例

文檔中給出了 TUSB215 的 PCB 布局示例，展示了如何合理安排引腳和走線，以實(shí)現(xiàn)良好的信號(hào)傳輸和電磁兼容性。

器件和文檔支持

接收文檔更新通知

若要接收文檔更新通知，可導(dǎo)航至 TI.com 上的器件產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊右上角的“通知我”進(jìn)行注冊(cè)，即可每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。詳細(xì)的更改信息可查看修訂文檔中的修訂歷史記錄。

社區(qū)資源

TI 提供了豐富的社區(qū)資源，如 TI E2E? 在線社區(qū)，工程師可在此咨詢問(wèn)題、分享知識(shí)、拓展思路并與同行協(xié)作解決問(wèn)題。此外，TI 參考設(shè)計(jì)支持可幫助快速查找有用的 E2E 論壇、設(shè)計(jì)支持工具以及技術(shù)支持的聯(lián)系信息。

商標(biāo)說(shuō)明

E2E 是德州儀器的商標(biāo)，其他商標(biāo)歸各自所有者所有。

靜電放電警告

靜電放電可能會(huì)損壞集成電路，因此在處理 TUSB215 時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，如佩戴防靜電手環(huán)、使用防靜電工作臺(tái)等，以避免因靜電放電導(dǎo)致器件損壞。

總結(jié)

TUSB215 作為一款高性能的 USB 2.0 高速信號(hào)調(diào)節(jié)器，憑借其出色的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，為電子工程師在 USB 高速信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)中提供了可靠的解決方案。無(wú)論是在筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備，還是在新興的智能設(shè)備中，TUSB215 都能發(fā)揮重要作用，幫助工程師解決信號(hào)衰減和質(zhì)量下降的問(wèn)題，提升設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師應(yīng)根據(jù)具體需求合理選擇和配置 TUSB215，結(jié)合其電源供應(yīng)、布局等方面的建議，確保設(shè)計(jì)的順利實(shí)現(xiàn)。你在使用 TUSB215 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。