TS3USB30E：高速USB 2.0信號切換的理想之選

在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，高速信號的切換與傳輸一直是工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。尤其是在USB接口日益普及的今天，如何確保高速USB 2.0信號的穩(wěn)定傳輸成為了一個(gè)關(guān)鍵問題。德州儀器（TI）的TS3USB30E就是一款專門為解決這一問題而設(shè)計(jì)的高性能開關(guān)芯片。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、TS3USB30E的特性亮點(diǎn)

1. 寬電壓工作范圍

TS3USB30E的(V_{CC})工作電壓范圍為2.7V至4.3V，這使得它能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。同時(shí)，D+/D–引腳能夠承受高達(dá)5.25V的電壓，增強(qiáng)了芯片在復(fù)雜電路中的穩(wěn)定性。其1.8V兼容的控制引腳輸入，方便與其他低電壓設(shè)備進(jìn)行接口。

2. 低電阻與低電容特性

該芯片的導(dǎo)通電阻(R{ON})最大為10Ω，典型值下(Delta R{ON})僅為0.35Ω，這意味著在信號傳輸過程中的損耗非常小。而典型的(C_{io(ON)})為7.5pF，低電容特性有助于減少信號的延遲和失真，保證高速信號的完整性。

3. 低功耗與高帶寬

TS3USB30E的功耗極低，最大僅為70nA。同時(shí)，它具有高達(dá)1400MHz的典型–3dB帶寬，能夠滿足高速USB 2.0（480Mbps）信號的傳輸要求，確保信號在通過芯片時(shí)能夠保持最小的邊緣和相位失真。

4. 出色的ESD保護(hù)能力

在靜電放電（ESD）保護(hù)方面，TS3USB30E表現(xiàn)出色。所有引腳都經(jīng)過了嚴(yán)格的ESD測試，符合JESD 22標(biāo)準(zhǔn)。其中，人體模型（HBM）測試可達(dá)8000V（Class II），充電設(shè)備模型（CDM）測試為1000V，I/O端口到GND的HBM測試更是高達(dá)15000V，有效保護(hù)芯片免受靜電損壞。

5. 小巧封裝

芯片提供10引腳的UQFN（1.8mm × 1.4mm）封裝，這種小巧的封裝形式非常適合用于空間有限的便攜式電子設(shè)備。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. USB信號路由

TS3USB30E可以用于USB 1.0、1.1和2.0信號的路由，在USB集線器或控制器的USB I/O數(shù)量有限的情況下，它能夠通過在多個(gè)USB總線之間進(jìn)行切換，有效地?cái)U(kuò)展有限的USB I/O接口。例如，在一些筆記本電腦、智能手機(jī)和數(shù)字相機(jī)等設(shè)備中，都可以使用該芯片來實(shí)現(xiàn)USB信號的靈活切換。

2. 多功能信號切換

除了USB信號，它還可用于其他多用途信號的切換，為電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

3. 便攜式電子設(shè)備

由于其低功耗、小封裝的特點(diǎn)，TS3USB30E非常適合應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備，如平板電腦、手持游戲機(jī)等，能夠在不占用過多空間的情況下，實(shí)現(xiàn)高速信號的穩(wěn)定傳輸。

4. 工業(yè)與消費(fèi)產(chǎn)品

在工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域，該芯片也有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在工業(yè)自動化設(shè)備、智能家居設(shè)備等中，都可以使用它來實(shí)現(xiàn)信號的切換和傳輸。

三、芯片詳細(xì)解讀

1. 引腳配置與功能

TS3USB30E有兩種封裝形式，分別是10引腳的UQFN（RSW）和10引腳的VSSOP（DGS）。其引腳功能豐富，包括D+、D–等通用USB信號路徑引腳，D1+、D1–、D2+、D2–等USB信號路徑端口引腳，以及OE（總線開關(guān)使能）、S（選擇輸入）、VCC（電壓供應(yīng)）和GND（接地）等控制和電源引腳。通過合理配置這些引腳，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能模式。

2. 規(guī)格參數(shù)

• 絕對最大額定值：規(guī)定了芯片在正常工作時(shí)所能承受的最大電壓、電流和溫度等參數(shù)，如(V_{CC})供應(yīng)電壓范圍為–0.5V至一定值，控制輸入電壓和信號路徑I/O電壓也有相應(yīng)的限制，超出這些范圍可能會導(dǎo)致芯片永久性損壞。
• ESD額定值：體現(xiàn)了芯片的ESD保護(hù)能力，如前文所述，其在HBM和CDM測試中都有出色的表現(xiàn)。
• 推薦工作條件：給出了芯片正常工作時(shí)的最佳電壓、溫度等條件，如(V_{CC})供應(yīng)電壓推薦范圍為3V至4.3V，工作溫度范圍為–40°C至85°C。
• 熱信息：提供了芯片在不同封裝形式下的熱阻等參數(shù)，如DGS（VSSOP）封裝和RSW（UQFN）封裝的結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼、結(jié)到電路板的熱阻等，這些參數(shù)對于芯片的散熱設(shè)計(jì)非常重要。
• 電氣特性：包括控制輸入鉗位電壓、輸入電流、關(guān)態(tài)泄漏電流、電源電流等參數(shù)，反映了芯片在不同工作狀態(tài)下的電氣性能。
• 動態(tài)電氣特性：如串?dāng)_（XTALK）、關(guān)態(tài)隔離（OISO）和帶寬（BW）等參數(shù)，這些參數(shù)對于評估芯片在高速信號傳輸中的性能至關(guān)重要。
• 開關(guān)特性：包括傳播延遲、線路使能時(shí)間、線路禁用時(shí)間、輸出偏斜和總抖動等參數(shù)，這些參數(shù)決定了芯片在信號切換過程中的速度和穩(wěn)定性。

3. 參數(shù)測量信息

文檔中詳細(xì)介紹了各項(xiàng)參數(shù)的測量電路和測試條件，為工程師進(jìn)行芯片性能測試提供了指導(dǎo)。例如，通過特定的網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置和測試信號源，可以測量芯片的串?dāng)_、關(guān)態(tài)隔離和帶寬等參數(shù)。

4. 功能模式

TS3USB30E具有不同的功能模式，通過控制引腳S和OE的電平狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)OE為高電平時(shí)，信號路徑處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，可實(shí)現(xiàn)總線隔離，降低功耗；當(dāng)OE為低電平時(shí)，根據(jù)S引腳的電平狀態(tài)，可選擇將D連接到D1或D2。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1. 設(shè)計(jì)要求

在應(yīng)用TS3USB30E時(shí)，需要遵循USB 1.0、1.1和2.0標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為了避免因引腳浮空而導(dǎo)致開關(guān)位置異常，建議將數(shù)字控制引腳S和OE上拉到(V_{CC})或下拉到GND。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

雖然該芯片可以在沒有任何外部組件的情況下正常工作，但為了防止信號反射，建議將任何未使用的引腳通過一個(gè)50Ω電阻連接到地。

3. 電源供應(yīng)建議

芯片的電源通過(V{CC})引腳供應(yīng)，必須遵循USB標(biāo)準(zhǔn)。為了平滑低頻噪聲，提供更好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力，建議在(V{CC})引腳附近盡可能靠近地放置一個(gè)旁路電容。

4. 布局指南

• 電容放置：供應(yīng)旁路電容應(yīng)盡可能靠近(V_{CC})引腳，避免放置在D+和D–走線附近。
• 走線長度與阻抗匹配：高速D+和D–走線必須長度相等，且不超過4英寸，同時(shí)要確保走線的阻抗與電纜的特性差分阻抗匹配，以保證眼圖性能。
• 減少信號反射：高速USB信號的布線應(yīng)盡量減少過孔和拐角的使用，當(dāng)必須使用過孔時(shí)，要增加過孔周圍的間隙尺寸，以減少電容。避免在高速USB信號上出現(xiàn)短截線，若無法避免，短截線長度應(yīng)小于200mm。
• 避免干擾源：不要在晶體、振蕩器、時(shí)鐘信號發(fā)生器、開關(guān)穩(wěn)壓器、安裝孔、磁性設(shè)備或使用時(shí)鐘信號的IC附近布線USB走線。
• 多層板設(shè)計(jì)：由于USB信號頻率較高，建議使用至少四層的印刷電路板，將大部分信號走線布置在單層上，并確保與連續(xù)的接地層相鄰，以減少電磁干擾。

五、文檔與支持資源

德州儀器提供了豐富的文檔支持，包括相關(guān)的應(yīng)用筆記和布局指南等。工程師可以通過ti.com上的設(shè)備產(chǎn)品文件夾獲取文檔更新通知，并在TI E2E?支持論壇上獲取快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)幫助。同時(shí)，需要注意的是，該集成電路容易受到ESD損壞，在處理和安裝時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

TS3USB30E以其出色的性能和豐富的功能，為高速USB 2.0信號的切換和傳輸提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇芯片的封裝形式，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)和布局指南，以充分發(fā)揮芯片的優(yōu)勢。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過類似芯片的應(yīng)用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。