利用高速USB开关改进设计

随着高速USB功能在可携式或掌上型应用中日趋流行，採取小型封装的超低功耗及高频宽USB开关变得非常重要，它有助于填补在技术转换期中USB全速和高速功能之间出现的缺口。这些USB开关不仅能提高系统设计的信号完整性，而且可以缩短产品上市时间。 由于许多应用都需要更高的资料吞吐量，PC周边和移动通信设备将从USB全速（12Mbps）转向高速（480Mbps）发展。这种转换为低功耗、高速度的USB开关带来无限的需求潜力，在协助设计人员提高信号完整性和减低信号反射方面不可或缺。 在亚洲，许多制造商不再单单扮演纯粹制造的角色，而逐渐强化研发能力。随着地区内实力雄厚的可携式电子设计公司不断扩张，以及彼此间的竞争日益激烈，先进技术如高速 USB 介面等在所有市场区间的应用将会持续，以实现设备的多功能应用。同时可携式市场中极短的新产品设计周期和关键的上市时间限制，这一技术更显重要。选择正确的USB开关可协助设计人员加强现有设计以大幅缩短设计周期，而不必由零开始重新设计。 本文将探讨USB开关在提升性能方面发挥关键作用的应用，如手机、MP3播放器、可携式媒体播放器、无线USB驱动器及其它USB配件。针对每一种应用，本文将阐释 USB 开关的主要参数对应用的总体设计有何影响，还会讨论关键的设计挑战，如何在频宽要求和信号反射之间作出权衡，也会在信号眼图眼开（eye opening）最大化和非线性失真最小化方面给出一些建议，以便加快应用的开发。

应用实例 ■MP3 和可携式媒体播放器 亚洲的MP3播放器与可携式媒体播放器市场高速成长，尤其是在韩国和中国大陆。由于消费者需要更精巧、更便于携带的MP3播放器与媒体播放器，传统的大型头戴式耳机连接器已成为这种精巧型设计的障碍。为了去掉头戴式耳机连接器，可以使用微型AB式USB连接器，在USB资料流程和音讯输出之间共用同一个USB连接器，而实现精巧的设计。对于高速USB信号来说，信号边缘可高达500ps。如(图一)所示，此处一般需要USB开关来截断USB模式下音频输出的线路，以便将因连接器D+和 D-管脚上的悬挂线路引起的反射减至最小。在信号逻辑状态转换中间的任何反射或弯曲都有可能造成位元误码率，且违反高速USB连接对500ppm的精确度要求。 　 (图一)　MP3与可携式媒体播放器设计中的低总谐波失真高速USB开关 　 从音频模式切换到USB模式时，在检测到有效的VBUS插入时，可不必立即切换到USB功能，而是利用一个设计技巧以获得更高的ESD性能。对于图一中的架构，假设原始状态是音频状态，那?只有在VBUS管脚上检测到有效电压，显示有外部USB连接插入时，USB功能才被启动。当检测到这种插入时，DSP内核能够延迟 USB 开关各选择引脚的通/断（ON/OFF）操作，以便从音频通道切换到USB通道。这种延迟能够保护内部昂贵的DSP晶片组免受外部ESD事件所影响。而延迟时间的长短由设计人员决定。较长的延迟有助于承受较严重的ESD事故。一般来说1到10ms的延迟已经足够。利用这种方法，USB资料匯流排上的ESD事件将由较便宜的USB开关来承受，USB开关ESD性能比DSP内核晶片组高得多。当DSP内核晶片USB资料输出端（D+/D-）被连接到外部电缆时，内部DSP资料埠的ESD事件在这种延迟后几乎变得微不足道。此处的USB开关不仅可以减低信号反射以提高信号完整性，还能够主动保护系统晶片组免受插入时的ESD事件影响。对于这类应用，高频宽的开关有助于在USB模式下把USB信号边缘失真减至最少。在音频模式下（输出到32欧姆的耳机），足够低的导通电阻（典型值为5欧姆）和较低的总谐波失真（THD）对于减少音频失真非常重要。 ■Wireless USB配件 就网路连接的便利性而言，WLAN所带给用户的自由度和行动性，使其受到办公室和家居应用的广泛欢迎。对于桌上型PC，USB无线网路卡是简单的方案，无需打开PC即可进行无线连接。只须插入USB无线网路卡，就能够无线上网。此外，在商务旅行时，带有储存功能的USB无线网路卡为终端用户提供一个方便的途径，在无线上网功能和储存功能之间进行切换，以便将下载的档案保存于网路卡中的快闪记忆体里。不过，正如前所述，大多数记忆体如硬碟驱动器或紧凑型快闪记忆体控制器等都具有高速USB介面，但未被整合到WLAN PHY中。高速USB开关便可以解决这个设计难题，这是因为它能在快闪记忆体和无线功能（由机械开关或来自软件控制器的指令所控制）之间切换。(图二)是应用示意图，显示高频宽USB开关如何用于这类应用中。一般而言，频宽和功耗是这类应用的两项关键规格。高速USB（480Mbps）一般具有240MHz基频和720MHz、1.2GHz 和 1.68GHz的谐波分量。此频率分量通过开关时伴随较快的边缘速率。开关的频宽应够高以使高速USB讯号的第三次谐波能够通过（>720MHz），且其边缘失真很少。当然，由于无线USB网路卡的功耗大部分来自主机匯流排，因此低功耗是必需的。对于这类应用来说，小而薄的封装十分重要，因为USB无线网路卡的PCB空间非常有限。 　 (图二)　 无线USB配件应用中的宽频USB开关 　 ■手机 随着高阶手机设计中LCD 平面显示器和相机的解析度日益提高，市场需要容量更大的记忆体，如嵌入式硬碟驱动器或尺寸更小的外部储存卡。目前手机设计中使用的解决方案大多是独立式硬驱动控制器，带有USB介面与PC主机通讯。对于位址簿或其他资料同步功能，仍然需要基频处理器的传统全速I/O，而手机单一USB埠成为了设计中的挑战。如(图三)所示的低功耗高速USB开关便是这类应用的必需开关，在储存控制器USB I/O和基频处理器USB I/O之间进行切换。市场上传统的USB开关设计带有电荷泵架构，其静态功耗高达0.8mA或以上。快捷半导体的720MHz频宽、1uA功耗、高频宽、低功耗和小封装的开关如FSUSB20是理想的选择。FSUSB20採用MicroPak封装， 所佔用的PCB面积仅为3.36mm2，因此适合手持及携带型产品使用。 　 (图三)　超可携式应用中的高吞吐量USB开关

设计和佈局建议 USB开关的佈局存在着一个设计权衡，很难将开关阻抗精确地保持在45欧姆。由于高速USB信号的上升/下降时间快至500ps，开关阻抗可能因传输线路的影响而引起反射。为了避免反射，USB开关应放置在接近USB控制器或收发器输出端的位置。这样放置后，开关可视为USB控制器输出端的集中负载。当反射最小时，把开关放在靠近控制器的位置可能会迫使控制器的输出电容变成开关的负载，导致开关-3db频宽的收缩。频宽越低，高速USB信号的边缘速率越慢，还可能造成相位抖动或噪音增加。因此在最小信号反射和频宽收缩之间，存在一个权衡。具有足够频宽余量的USB开关正是所需。设计人员需要知道的是，USB开关并没有内建均衡功能。如果USB控制器输出信号眼图（eye diagram）没有余量，又或在资料路径中没有开关的情况下已使高速USB eye mask失效，那?，插入USB开关也无助于扩大眼界（eye opening）。 对于ESD保护二极管，要求低的ESD元件的I/O电容（<1 pf）以减小匯流排负载。最好把ESD元件放在接近连接埠的位置，以获得可靠的钳位元电压，并同时使负载对USB 开关的影响降至最小。最好也把 USB 控制器和连接器之间的线路长度减至最小，并均等地载入相同的差分线，以便将差分对内延迟差（intra pair skew）降至最低。较短的连线有助于提高资料路径的资料频宽。

结语 随着高速USB功能在可携式或掌上型应用中日趋流行，採取小型封装的超低功耗及高频宽USB开关变得非常重要，它有助于填补在技术转换期中USB全速和高速功能之间出现的缺口。这些USB开关不仅能提高系统设计的信号完整性，而且可以缩短产品上市时间。这些因素是生产手机及其它可携式产品的设计公司重要考虑事项，因为消费者的需求会带动创新的进行，缩短设计和制造周期。鉴于亚洲在全球手机市场中佔主导地位，这些因素对于该区市场的发展尤其重要。（作者为Fairchild快捷半导体模拟信号产品亚太区技术市场经理）