USB 3.0接口應(yīng)用的設(shè)計(jì)考慮因素

在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)USB 3.0時，需要考慮兩個重要問題。USB 3.0作為一種高速傳輸接口，信號完整性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遇到的首要問題——它會降低傳輸信號的質(zhì)量。信號調(diào)理利用加重和均衡技術(shù)校正抖動和衰減損耗，為信號完整性恢復(fù)提供了解決方案。在線路中增加補(bǔ)償器件(如ReDriver)，能夠?qū)νǖ纼?nèi)其余部分產(chǎn)生的衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

擴(kuò)展USB 3.0應(yīng)用的另一個重要方法是采用USB開關(guān)器件。設(shè)計(jì)人員要想加快上市時間，需要能夠在其現(xiàn)有設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用USB 3.0/2.0接口。采用USB開關(guān)，將無需對USB 3.0進(jìn)行調(diào)試，從而能夠幫助快速實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

用USB ReDriver延長USB信號的傳輸距離

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)USB 3.0系統(tǒng)時所面臨的一個挑戰(zhàn)是，如何確保高速傳輸?shù)男盘柲軌蛟诮?jīng)歷最長的距離后，仍然保持良好的質(zhì)量。例如在正在興起的PC機(jī)3D攝像頭應(yīng)用中，3D數(shù)據(jù)在USB 3.0 3D攝像頭和USB 3.0主機(jī)之間傳輸時，有可靠的USB 3.0連接、接收端均衡損耗補(bǔ)償、有效的USB 3.0電源管理以及最低的誤碼率。隨著USB接口在移動設(shè)備上變得流行，新的Type-C接口推向市場;Type-C連接器及帶Type-C開關(guān)的Type-C線纜的插入損耗，將進(jìn)一步降低USB 3.0高速信道的信號完整性質(zhì)量。

保持信號完整性一般通過降低發(fā)射器與接收器之間的通信損耗來實(shí)現(xiàn)。然而，隨著信號頻率增加，PCB走線、連接器、過孔和線纜上的損耗也將增加。高速信號也更容易受到環(huán)境噪聲的影響。根據(jù)特定的使用協(xié)議，總損耗會超出控制器所能可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力(即至少將誤碼率維持在10-12)。

一般，F(xiàn)R4 PCB材料傳輸速率每增加10Gbps，通道損耗就會增加約1dB。連接器和過孔損耗也要算進(jìn)來。

對于開發(fā)人員利用高速接口開發(fā)系統(tǒng)的情況，有兩個指標(biāo)正成為影響系統(tǒng)完整性的重要指標(biāo)：功率和工藝尺寸。復(fù)雜的系統(tǒng)級芯片(SoC)在單芯片上集成了處理器、I/O、內(nèi)存以及其他功能。為了提高處理性能，實(shí)現(xiàn)較高的功率效率，SoC將工作電壓降低，并采用較小尺寸設(shè)計(jì)。這些器件與前代系統(tǒng)引腳兼容，以簡化在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的集成。因此，設(shè)計(jì)人員能夠以較低的成本獲得較好的性能和功耗。

然而，工藝尺寸縮小卻存在SoC驅(qū)動信號降低的問題。比如，手機(jī)和其他小尺寸系統(tǒng)的芯片組制造商面臨的問題是，這些電池供電器件需要以相同功率提供更好的性能，以至于不會影響電池壽命。然而，工作在較高頻率會增加功耗。處理器要降低功耗影響，就需要降低工作電壓。另一方面，通信通道的輸出電壓已定。然而，SoC內(nèi)部的不同功能模塊都是針對超低功耗而設(shè)計(jì)的，整體設(shè)計(jì)可能限制可用驅(qū)動功率，并極大降低高速鏈路的驅(qū)動輸出，繼而降低驅(qū)動長度(一些SoC不可能針對超低功率設(shè)計(jì)，仍然會維持高功率驅(qū)動輸出)。

在5Gbps的信號速率下，就能看到工藝尺寸降低對信號完整性的影響。這些影響包括：較低的工作電壓、EMI以及走線/線纜長度。例如，當(dāng)SoC遷移到下一個工藝節(jié)點(diǎn)時，集成USB控制器的驅(qū)動長度可能降低一半。 因此，若SoC與前代引腳兼容，它將無法做到驅(qū)動兼容。通道損耗在信號驅(qū)動降低的情況下可能變得太大，這樣，采用前代SoC設(shè)計(jì)的符合規(guī)范的通信通道遷移到下一代器件時，就有可能變得不可靠了。

為了驗(yàn)證具有高速接口的設(shè)備能夠通過一致性測試，許多開發(fā)人員通過在接收端測量信號眼圖來測試信號完整性。

圖1(A)中，發(fā)送端信號眼圖很好地打開，并且信號抖動和衰減在可接受范圍內(nèi)。然而，通道內(nèi)走線(標(biāo)準(zhǔn)FR4 PCB在12Gbps速率下?lián)p耗約為1.2dB/in)、過孔(每個達(dá)2dB)、線纜(根據(jù)線纜質(zhì)量，在1.9~4.4dB/m之間)和連接器(0.5~1.5dB)所產(chǎn)生的總信號損耗太大，接收端信號眼圖關(guān)閉，誤碼率顯著上升(圖1(B))。這降低了通道的可靠性和吞吐率。信號調(diào)理利用加重和均衡技術(shù)校正抖動和衰減損耗，為信號完整性恢復(fù)提供了一種方法。在通信通道內(nèi)引入ReDriver或中繼器后，ReDriver會對接收信號所產(chǎn)生的損耗進(jìn)行校正，并對通道剩余部分會產(chǎn)生的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。在采用ReDriver對信號進(jìn)行調(diào)理后，接收端的信號眼圖打開，信號和數(shù)據(jù)完整性得以恢復(fù)(圖2)。這樣，信號能夠可靠傳輸更遠(yuǎn)距離，連接器的個數(shù)可以增加。

為獲得最好的性能，ReDriver在通道內(nèi)的理想位置是中點(diǎn)，以將其兩端的通道損耗平分。

ReDriver EMI Type-C

ReDriver提供的信號調(diào)理對通信信道是透明的。它不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼或?qū)f(xié)議命令進(jìn)行評估，而是恢復(fù)最初信號的完整性，使其通過。ReDriver的參數(shù)根據(jù)通道表征選取，它將獨(dú)立于系統(tǒng)的其余部分工作。

對于使用線纜的(例如許多消費(fèi)類電子)應(yīng)用，信號完整性尤其重要。消費(fèi)者希望能夠如自己希望的那樣使用設(shè)備。假設(shè)用戶想要通過線纜將手機(jī)連接到電視，線纜至少需要有兩米長，才能使連接到電視背后，不至于使用戶離屏幕太近而感到不舒適。消費(fèi)者一般不會參考接口規(guī)范，他們買回線纜是希望它能工作。這樣，他們買到的線纜可能比系統(tǒng)指定的更長，或者使用質(zhì)量較差、屏蔽不好的線纜。

隨著便攜設(shè)備新應(yīng)用的增加，對較長和較便宜線纜提供支持的需求將會與日俱增。雖然這些應(yīng)用可能最終會采用無線通信，但是現(xiàn)在還沒到這個時候。例如，在大多數(shù)消費(fèi)者都有可傳送視頻流的便攜設(shè)備時，僅有少數(shù)電視提供無線連接。因此，保證線纜的信號完整性對消費(fèi)者來說將是一個重要特性。采用ReDriver延伸長度的“有源”線纜在市場上正不斷增加。

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，ReDriver的輸入和輸出都要進(jìn)行表征，以匹配其所放入的實(shí)際通道。理想情況下，高速接口應(yīng)設(shè)計(jì)成閉合通道或受限制的開放通道，這意味著通道最大長度由通道損耗小于4dB確定。具有數(shù)據(jù)線的應(yīng)用通過提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)線可設(shè)計(jì)成閉合通道。

ReDriver放置需要考慮系統(tǒng)的整個架構(gòu)。例如，對于許多小尺寸設(shè)備，損耗的中點(diǎn)可能在附加線纜的中間位置。在這種情況下，將ReDriver放在離連接器盡可能近的位置，可以實(shí)現(xiàn)最好的信號調(diào)理。確定最佳位置需作正規(guī)的通道分析。更復(fù)雜的系統(tǒng)可能要放在不同的位置。

SoC架構(gòu)的一個優(yōu)勢是將應(yīng)用所需的多個功能集成到一個單芯片中。這種方法的優(yōu)勢很明顯，包括功耗、尺寸和價格降低，以及使設(shè)計(jì)得到簡化(因?yàn)楣δ苣K的耦合更加緊密)。然而，這對信號驅(qū)動帶來了不利一面。

信號驅(qū)動輸出較高會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，對鄰近電路產(chǎn)生不期望的噪聲。在SoC的有限區(qū)域內(nèi)，高速接口的EMI會對RF子系統(tǒng)造成破壞。這不僅會降低射頻可靠性，還會迫使射頻電路消耗更多的功率，以補(bǔ)償傳輸距離下降，從而使功耗增加。

EMI對系統(tǒng)可靠性的影響取決于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。例如，在手機(jī)和平板電腦中，考慮到滿足緊湊空間的需求，I/O口線通常是繞過電池布線的。攝像頭/USB端口通常設(shè)置在系統(tǒng)的頂部和底部——SoC由于MIPI-CSI2接口而放在攝像頭附近;SoC與USB端口的連接則通過帶專有連接器的柔性印制線(FPC)來實(shí)現(xiàn)(圖3)。

USB 3.0輸出擺幅，降低EMI干擾的影響;在信號離開手機(jī)時，可增加信號擺幅，并對通道損耗進(jìn)行補(bǔ)償。

柔性印制線在手機(jī)中會形成一根約7”的天線，它還會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大干擾。為了降低RF和USB 3.0信號的干擾，需要對接口走線進(jìn)行屏蔽。但是由于走線長度、位置以及手機(jī)空間非常緊湊的緣故，這就很難實(shí)現(xiàn)。

另一種方法是通過在連接器附近放置外部ReDriver，讓SoC驅(qū)動信號能夠以較低的擺幅輸出。因?yàn)橥ㄟ^手機(jī)的驅(qū)動電流較低，芯片組和連接器之間信號路徑產(chǎn)生的EMI得到降低。這意味著干擾減小，可以無需采用附加屏蔽。由于ReDriver可以放置在連接器旁邊，信號可以在離開手機(jī)時放大，從而可進(jìn)一步降低EMI。

ReDriver放在連接器附近使得對這部分進(jìn)行屏蔽更加容易并且成本較低。將系統(tǒng)這樣劃分還能使設(shè)計(jì)人員在布置芯片組、射頻電路和天線時更加靈活。

此外，將ReDriver放置在手機(jī)邊緣處，還能通過在ReDriver兩端平衡通道損耗使其更加有效。若信號調(diào)理功能集成到SoC上，總的通道長度包括7”走線以及芯片組附近的轉(zhuǎn)換部分。若信號是由連接器附近的ReDriver放大和調(diào)理的，ReDriver和芯片組之間的任何損耗都可以單獨(dú)處理而不用混合在一起處理，這使設(shè)計(jì)人員能夠獲得更大余量。同時，這也能提升信號余量，從而支持更長或更低質(zhì)量的線纜。

USB開關(guān)將一個USB 3.0接口擴(kuò)展至多個

在采用USB作為接口標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用中，需要采用USB開關(guān)對USB信號進(jìn)行連接和路由。設(shè)計(jì)人員采用USB開關(guān)，只需對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，而無需重新開發(fā)新的系統(tǒng)，從而能夠幫助降低設(shè)計(jì)周期。例如，在現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用中，USB開關(guān)能為調(diào)試提供可選路徑，而無需影響設(shè)備工作。

USB開關(guān)(多路復(fù)用/解復(fù)用器，Mux/De-Mux)是一種雙向器件，從多路USB輸入信號中選擇一路(USB 3.0為Tx+、Tx-/Rx+、Rx-)傳輸?shù)絾胃€路，或者是反方向傳輸。USB開關(guān)采用帶電荷泵的NMOS管設(shè)計(jì);電荷泵能夠幫助提升柵極電壓，避免輸出電壓受閾值鉗位(圖4、圖5)。

選擇USB開關(guān)時需要考慮8個關(guān)鍵參數(shù)：

3dB帶寬：3dB帶寬一般指設(shè)備在可接受損耗下能夠路由的最大頻率信號。要使USB 3.0信號能夠在5Gbps速率下理想工作，工作頻率應(yīng)大于2.5GHz。頻率越高，系統(tǒng)性能越好。Pericom提供的USB 3.0開關(guān)，其3dB帶寬高達(dá)10.6GHz。

導(dǎo)通電阻及Ron平整度：導(dǎo)通電阻(Ron)是漏極和源極之間開關(guān)閉合時的電阻。Ron應(yīng)盡可能低，以在吞吐過程中做到幾乎無能量損耗。Ron平整度是導(dǎo)通電阻在整個信號范圍下的變化程度。Ron平整度定義為在指定模擬信號范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻的最大和最小測量值之差。Ron平整度與失真有關(guān)，因此它越低，失真越小。

插入損耗：插入損耗是衡量給定頻率下功率損耗或信號衰減的指標(biāo)。該指標(biāo)以dB表示，大于1或2dB將使峰值信號電平衰減，增加上升時間和下降時間。Pericom USB 3.0開關(guān)的插入損耗在5GHz時為-1.3dB。

返回?fù)p耗：返回?fù)p耗一般是由于電路間的阻抗失配而導(dǎo)致的。返回?fù)p耗越低越好，具有較好返回?fù)p耗性能的開關(guān)能夠確保開關(guān)的最優(yōu)功率傳輸。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回?fù)p耗為-30dB。

關(guān)斷隔離：關(guān)斷隔離是關(guān)斷狀態(tài)下的開關(guān)從鄰近導(dǎo)通狀態(tài)下的開關(guān)捕獲的噪聲大小。在較高頻率下(如5Gbps或2.5GHz的USB 3.0、8Gbps或4GHz的PCIe 3.0)，隔離變得更加重要。較好的隔離可降低信號受其他通道信號的影響，維持被測信號的完整性，降低系統(tǒng)測量的不確定性。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的關(guān)斷隔離為-26.7dB。

串?dāng)_：串?dāng)_是電路之間信號耦合的程度。串?dāng)_通常是由一個電路(電路的一部分或者通道)受另一個電路不期望的電容、電感或電導(dǎo)性耦合所引起的。較高的串?dāng)_會使信號劣化。PI3USB304在2.5GHz下的串?dāng)_為-38dB。

ESD保護(hù)：ESD保護(hù)是USB開關(guān)的一項(xiàng)重要功能。標(biāo)準(zhǔn)的USB開關(guān)設(shè)計(jì)成能承受高達(dá)±2kV的人體模型(HBM)放電。設(shè)計(jì)人員可在外部增加附加的ESD保護(hù)，但是這會犧牲寶貴的電路板面積，對輸入/輸出線路增加電容。因此，Pericom USB開關(guān)設(shè)計(jì)成能夠承受高達(dá)±8kV的ESD。

過壓保護(hù)：過壓保護(hù)意味著確保開關(guān)能夠承受模擬輸入上超過電源的指定電壓。Pericom的USB開關(guān)具有5V保護(hù)。

討論完設(shè)計(jì)USB開關(guān)時應(yīng)注意的功能和關(guān)鍵指標(biāo)，這里再介紹一些USB3.0的具體應(yīng)用。

在筆記本擴(kuò)展底座應(yīng)用中，USB 3.0開關(guān)可用于在筆記本USB端口和擴(kuò)展底座USB連接器之間實(shí)現(xiàn)切換(圖4)。在該應(yīng)用中使用USB 3.0 ReDriver，還可幫助恢復(fù)PCB、線纜和連接器上的信號完整性問題。

WiFi內(nèi)存是一種簡單的無線設(shè)備，主要由三個簡單模塊組成：集成WiFi模塊、MCU和內(nèi)置內(nèi)存(HDD)。WiFi內(nèi)存采用USB 3.0開關(guān)，在HDD和通過WiFi模塊或USB端口連接的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)(圖7)。

KVM開關(guān)(KVM是“鍵盤、視頻和鼠標(biāo)”的縮寫)是一種使用戶能夠通過USB接口，使用一個或多個鍵盤、視頻監(jiān)視器和鼠標(biāo)控制多臺計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備。USB開關(guān)使USB 3.0設(shè)備(鍵盤或鼠標(biāo))能夠在兩個USB主機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行選擇，或者在兩個USB 3.0設(shè)備之間共享USB 3.0主機(jī)系統(tǒng)。

本文小結(jié)

針對3D攝像頭和Type-C等應(yīng)用中的信號完整性問題，Pericom公司提供了一系列有效的低功耗USB 3.0 ReDriver解決方案。Pericom超低功耗USB 3.0 ReDriver能夠增強(qiáng)3D攝像頭/Type-C應(yīng)用的眼圖余量;確保USB 3.0主機(jī)和設(shè)備之間的連接可靠，并具有低誤碼率。該器件已獲USB 3.0 Compliance Committee/Workshop完全認(rèn)證;能夠恢復(fù)FR4走線、過孔、連接器、FPC線纜和外部USB 3.0線纜對信號的影響;并能在USB 3.0端點(diǎn)處補(bǔ)償均衡損耗。

同時，Pericom公司提供了一系列的USB開關(guān)產(chǎn)品，包括1.8V和3.3V供電、2:1和4:1多路復(fù)用，以及USB 3.0和USB 2.0混合開關(guān)等多種類型。該公司提供的現(xiàn)成解決方案還能夠幫助設(shè)計(jì)人員加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)。