【導讀】USB 3.0已經(jīng)成為時下流行的數(shù)據(jù)傳輸接口。與USB 2.0相比，它更快更優(yōu)異。但是在USB 3.0的系統(tǒng)設計中，工程師不得不考慮兩個問題，一是信號的完整性，二是采用USB開關器件。
USB 3.0正逐漸成為最有前景的數(shù)據(jù)傳輸接口之一。相比USB 2.0，USB 3.0速率快10倍，達5.0Gbps；提供異步機制，能夠同步收發(fā)數(shù)據(jù)；并提供了高達900mA的電源輸出。3D攝像頭等跨筆記本電腦、PC、平板電腦和智能手機的新應用正使USB 3.0變成下一代系統(tǒng)I/O互聯(lián)的事實標準。
在系統(tǒng)中設計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)設計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校正抖動和衰減損耗，為信號完整性恢復提供了解決方案。在線路中增加補償器件（如ReDriver），能夠對通道內(nèi)其余部分產(chǎn)生的衰減進行補償。
擴展USB 3.0應用的另一個重要方法是采用USB開關器件。設計人員要想加快上市時間，需要能夠在其現(xiàn)有設計中靈活運用USB 3.0/2.0接口。采用USB開關，將無需對USB 3.0進行調(diào)試，從而能夠幫助快速實現(xiàn)這一目標。
用USB ReDriver延長USB信號的傳輸距離
設計人員在設計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3D攝像頭應用中，3D數(shù)據(jù)在USB 3.0 3D攝像頭和USB 3.0主機之間傳輸時，有可靠的USB 3.0連接、接收端均衡損耗補償、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開關的Type-C線纜的插入損耗，將進一步降低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，有兩個指標正成為影響系統(tǒng)完整性的重要指標：功率和工藝尺寸。復雜的系統(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，并采用較小尺寸設計。這些器件與前代系統(tǒng)引腳兼容，以簡化在現(xiàn)有設計中的集成。因此，設計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驅動信號降低的問題。比如，手機和其他小尺寸系統(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計的，整體設計可能限制可用驅動功率，并極大降低高速鏈路的驅動輸出，繼而降低驅動長度（一些SoC不可能針對超低功率設計，仍然會維持高功率驅動輸出）。
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SoC遷移到下一個工藝節(jié)點時，集成USB控制器的驅動長度可能降低一半。 因此，若SoC與前代引腳兼容，它將無法做到驅動兼容。通道損耗在信號驅動降低的情況下可能變得太大，這樣，采用前代SoC設計的符合規(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。
為了驗證具有高速接口的設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（標準FR4 PCB在12Gbps速率下?lián)p耗約為1.2dB/in）、過孔（每個達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校正抖動和衰減損耗，為信號完整性恢復提供了一種方法。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)生的損耗進行校正，并對通道剩余部分會產(chǎn)生的損耗進行補償。在采用ReDriver對信號進行調(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（圖2）。這樣，信號能夠可靠傳輸更遠距離，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，以將其兩端的通道損耗平分。
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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)進行解碼或對協(xié)議命令進行評估，而是恢復最初信號的完整性，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（例如許多消費類電子）應用，信號完整性尤其重要。消費者希望能夠如自己希望的那樣使用設備。假設用戶想要通過線纜將手機連接到電視，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。
隨著便攜設備新應用的增加，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)消費者都有可傳送視頻流的便攜設備時，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。
為了實現(xiàn)最佳性能，ReDriver的輸入和輸出都要進行表征，以匹配其所放入的實際通道。理想情況下，高速接口應設計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)線的應用通過提供標準的數(shù)據(jù)線可設計成閉合通道。
ReDriver放置需要考慮系統(tǒng)的整個架構。例如，對于許多小尺寸設備，損耗的中點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。更復雜的系統(tǒng)可能要放在不同的位置。
SoC架構的一個優(yōu)勢是將應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，以及使設計得到簡化（因為功能模塊的耦合更加緊密）。然而，這對信號驅動帶來了不利一面。
信號驅動輸出較高會產(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)的總體設計。例如，在手機和平板電腦中，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）來實現(xiàn)（圖3）。
柔性印制線在手機中會形成一根約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，需要對接口走線進行屏蔽。但是由于走線長度、位置以及手機空間非常緊湊的緣故，這就很難實現(xiàn)。
另一種方法是通過在連接器附近放置外部ReDriver，讓SoC驅動信號能夠以較低的擺幅輸出。因為通過手機的驅動電流較低，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時放大，從而可進一步降低EMI。
ReDriver放在連接器附近使得對這部分進行屏蔽更加容易并且成本較低。將系統(tǒng)這樣劃分還能使設計人員在布置芯片組、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處理而不用混合在一起處理，這使設計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。
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USB開關將一個USB 3.0接口擴展至多個
在采用USB作為接口標準的應用中，需要采用USB開關對USB信號進行連接和路由。設計人員采用USB開關，只需對現(xiàn)有設計進行修改，而無需重新開發(fā)新的系統(tǒng)，從而能夠幫助降低設計周期。例如，在現(xiàn)場調(diào)試應用中，USB開關能為調(diào)試提供可選路徑，而無需影響設備工作。
USB開關（多路復用/解復用器，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開關采用帶電荷泵的NMOS管設計；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）。
圖4：在USB開關中，NMOS開關的柵極帶有電荷泵。
圖5：1:2通道USB 3.0開關。
選擇USB開關時需要考慮8個關鍵參數(shù)：3dB帶寬：3dB帶寬一般指設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，工作頻率應大于2.5GHz。頻率越高，系統(tǒng)性能越好。Pericom提供的USB 3.0開關，其3dB帶寬高達10.6GHz。
導通電阻及Ron平整度：導通電阻（Ron）是漏極和源極之間開關閉合時的電阻。Ron應盡可能低，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)，導通電阻的最大和最小測量值之差。Ron平整度與失真有關，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。該指標以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開關的插入損耗在5GHz時為-1.3dB。
返回損耗：返回損耗一般是由于電路間的阻抗失配而導致的。返回損耗越低越好，具有較好返回損耗性能的開關能夠確保開關的最優(yōu)功率傳輸。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回損耗為-30dB。
關斷隔離：關斷隔離是關斷狀態(tài)下的開關從鄰近導通狀態(tài)下的開關捕獲的噪聲大小。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下的關斷隔離為-26.7dB。
串擾：串擾是電路之間信號耦合的程度。串擾通常是由一個電路（電路的一部分或者通道）受另一個電路不期望的電容、電感或電導性耦合所引起的。較高的串擾會使信號劣化。
PI3USB304在2.5GHz下的串擾為-38dB。
ESD保護：ESD保護是USB開關的一項重要功能。標準的USB開關設計成能承受高達±2kV的人體模型（HBM）放電。設計人員可在外部增加附加的ESD保護，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開關設計成能夠承受高達±8kV的ESD。
過壓保護：過壓保護意味著確保開關能夠承受模擬輸入上超過電源的指定電壓。Pericom的USB開關具有5V保護。
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討論完設計USB開關時應注意的功能和關鍵指標，這里再介紹一些USB3.0的具體應用。
圖6：USB 3.0開關在筆記本擴展底座上的應用。
WiFi內(nèi)存是一種簡單的無線設備，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，在HDD和通過WiFi模塊或USB端口連接的設備之間傳輸數(shù)據(jù)（圖7）。
在筆記本擴展底座應用中，USB 3.0開關可用于在筆記本USB端口和擴展底座USB連接器之間實現(xiàn)切換（圖4）。在該應用中使用USB 3.0 ReDriver，還可幫助恢復PCB、線纜和連接器上的信號完整性問題。
圖7：USB 3.0開關在WiFi內(nèi)存中的應用。
KVM開關（KVM是“鍵盤、視頻和鼠標”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)視器和鼠標控制多臺計算機的硬件設備。USB開關使USB 3.0設備（鍵盤或鼠標）能夠在兩個USB主機系統(tǒng)中進行選擇，或者在兩個USB 3.0設備之間共享USB 3.0主機系統(tǒng)。
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