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在系统中设计USB 3.0设计需要考虑那几个因素

USB 3.0正徐徐成为最有前景的数据传输接口之一。比拟USB 2.0,USB 3.0速度快10倍,达5.0Gbps;供给异步机制,能够同步收发数据;并供给了高达900mA的电源输出。3D摄像优等跨条记本电脑、PC、平板电脑和智妙手机的新利用正使USB 3.0变成下一代系统I/O互联的事实标准。

在系统中设计USB 3.0时,必要斟酌两个紧张问题。USB 3.0作为一种高速传输接口,旌旗灯号完备性是系统设计职员碰到的重要问题——它会低落传输旌旗灯号的质量。旌旗灯号疗养使用加重和均衡技巧校对哆嗦和衰减损耗,为旌旗灯号完备性规复供给了办理规划。在线路中增添补偿器件(如ReDriver),能够对通道内另外部分孕育发生的衰减进行补偿。

扩展USB 3.0利用的另一个紧张措施是采纳USB开关器件。设计职员要想加快上市光阴,必要能够在其现有设计中机动运用USB 3.0/2.0接口。采纳USB开关,将无需对USB 3.0进行调试,从而能够赞助快速实现这一目标。

用USB ReDriver延长USB旌旗灯号的传输间隔

设计职员在设计USB 3.0系统时所面临的一个寻衅是,若何确保高速传输的旌旗灯号能够在经历最长的间隔后,仍旧维持优越的质量。例如在正在兴起的PC机3D摄像头利用中,3D数据在USB 3.0 3D摄像头和USB 3.0主机之间传输时,有靠得住的USB 3.0连接、接管端均衡损耗补偿、有效的USB 3.0电源治理以及最低的误码率。跟着USB接口在移动设备上变得盛行,新的Type-C接口推向市场;Type-C连接器及带Type-C开关的Type-C线缆的插入损耗,将进一步低落USB 3.0高速信道的旌旗灯号完备性子量。

维持旌旗灯号完备性一样平常经由过程低削发射器与接管器之间的通信损耗来实现。然而,跟着旌旗灯号频率增添,PCB走线、连接器、过孔和线缆上的损耗也将增添。高速旌旗灯号也更轻易受到情况噪声的影响。根据特定的应用协议,总损耗会越过节制器所能靠得住传输数据的能力(即至少将误码率保持在10-12)。

一样平常,FR4 PCB材料传输速度每增添10Gbps,通道损耗就会增添约1dB。连接器和过孔损耗也要算进来。

对付开拓职员使用高速接口开拓系统的环境,有两个指标正成为影响系统完备性的紧张指标:功率和工艺尺寸。繁杂的系统级芯片(SoC)在单芯片上集成了处置惩罚器、I/O、内存以及其他功能。为了前进处置惩罚机能,实现较高的功率效率,SoC将事情电压低落,并采纳较小尺寸设计。这些器件与前代系统引脚兼容,以简化在现有设计中的集成。是以,设计职员能够以较低的资源得到较好的机能和功耗。

然而,工艺尺寸缩小却存在SoC驱动旌旗灯号低落的问题。比如,手机和其他小尺寸系统的芯片组制造商面临的问题是,这些电池供电器件必要以相同功率供给更好的机能,以至于不会影响电池寿命。然而,事情在较高频率会增添功耗。处置惩罚器要低落功耗影响,就必要低落事情电压。另一方面,通信通道的输出电压已定。然而,SoC内部的不合功能模块都是针对超低功耗而设计的,整体设计可能限定可用驱动功率,并极大年夜低落高速链路的驱动输出,继而低落驱动长度(一些SoC弗成能针对超低功率设计,仍旧会保持高功率驱动输出)。

5Gbps的旌旗灯号速度下,就能看到工艺尺寸低落对旌旗灯号完备性的影响。这些影响包括:较低的事情电压、EMI以及走线/线缆长度。例如,当SoC迁移到下一个工艺节点时,集成USB节制器的驱动长度可能低落一半。 是以,若SoC与前代引脚兼容,它将无法做到驱动兼容。通道损耗在旌旗灯号驱动低落的环境下可能变得太大年夜,这样,采纳前代SoC设计的相符规范的通信通道迁移到下一代器件时,就有可能变得弗成靠了。

为了验证具有高速接口的设备能够经由过程同等性测试,许多开拓职员经由过程在接管端丈量旌旗灯号眼图来测试旌旗灯号完备性。

图1(A)中,发送端旌旗灯号眼图很好地打开,并且旌旗灯号哆嗦和衰减在可吸收范围内。然而,通道内走线(标准FR4 PCB在12Gbps速度下损耗约为1.2dB/in)、过孔(每个达2dB)、线缆(根据线缆质量,在1.9~4.4dB/m之间)和连接器(0.5~1.5dB)所孕育发生的总旌旗灯号损耗太大年夜,接管端旌旗灯号眼图关闭,误码率显明上升(图1(B))。这低落了通道的靠得住性和吞吐率。旌旗灯号疗养使用加重和均衡技巧校对哆嗦和衰减损耗,为旌旗灯号完备性规复供给了一种措施。在通信通道内引入ReDriver或中继器后,ReDriver会对接管旌旗灯号所孕育发生的损耗进行校对,并对通道残剩部分会孕育发生的损耗进行补偿。在采纳ReDriver对旌旗灯号进行疗养后,接管真个旌旗灯号眼图打开,旌旗灯号和数据完备性得以规复(图2)。这样,旌旗灯号能够靠得住传输更远间隔,连接器的个数可以增添。

为得到最好的机能,ReDriver在通道内的抱负位置是中点,以将其两真个通道损耗等分。

ReDriver EMI Type-C

ReDriver供给的旌旗灯号疗养对通信信道是透明的。它不会对数据进行解码或对协议敕令进行评估,而是规复最初旌旗灯号的完备性,使其经由过程。ReDriver的参数根据通道表征拔取,它将自力于系统的另外部分事情。

对付应用线缆的(例这样多破费类电子)利用,旌旗灯号完备性尤其紧张。破费者盼望能够如自己盼望的那样应用设备。假设用户想要经由过程线缆将手机连接到电视,线缆至少必要有两米长,才能使连接到电视背后,不至于应用户离屏幕太近而认为不舒适。破费者一样平常不会参考接口规范,他们买回线缆是盼望它能事情。这样,他们买到的线缆可能比系统指定的更长,或者应用质量较差、樊篱不好的线缆。

跟着便携设备新利用的增添,对较长和较便宜线缆供给支持的需求将会一日千里。虽然这些利用可能终极会采纳无线通信,然则现在还没到这个时刻。例如,在大年夜多半破费者都有可传送视频流的便携设备时,仅有少数电视供给无线连接。是以,包管线缆的旌旗灯号完备性对破费者来说将是一个紧张特点。采纳ReDriver延伸长度的“有源”线缆在市场上正赓续增添。

为了实现最佳机能,ReDriver的输入和输出都要进行表征,以匹配其所放入的实际通道。抱负环境下,高速接口应设计成闭合通道或受限定的开放通道,这意味着通道最大年夜长度由通道损耗小于4dB确定。具稀有据线的利用经由过程供给标准的数据线可设计成闭合通道。

ReDriver放置必要斟酌系统的全部架构。例如,对付许多小尺寸设备,损耗的中点可能在附加线缆的中心位置。在这种环境下,将ReDriver放在离连接器尽可能近的位置,可以实现最好的旌旗灯号疗养。确定最佳位置需作正规的通道阐发。更繁杂的系统可能要放在不合的位置。

SoC架构的一个上风是将利用所需的多个功能集成到一个单芯片中。这种措施的上风很显着,包括功耗、尺寸和价格低落,以及使设计获得简化(由于功能模块的耦合加倍慎密)。然而,这对旌旗灯号驱动带来了晦气一壁。

旌旗灯号驱动输出较高会孕育发生电磁滋扰(EMI),对左近电路孕育发生不期望的噪声。在SoC的有限区域内,高速接口的EMI会对RF子系统造成破坏。这不仅会低落射频靠得住性,还会迫使射频电路耗损更多的功率,以补偿传输间隔下降,从而使功耗增添。

EMI对系统靠得住性的影响取决于系统的总体设计。例如,在手机和平板电脑中,斟酌到满意紧凑空间的需求,I/O口线平日是绕过电池布线的。摄像头/USB端口平日设置在系统的顶部和底部——SoC因为MIPI-CSI2接口而放在摄像头相近;SoC与USB端口的连接则经由过程带专有连接器的柔性印制线(FPC)来实现(图3)。

USB 3.0输出摆幅,低落EMI滋扰的影响;在旌旗灯号脱离手机时,可增添旌旗灯号摆幅,并对通道损耗进行补偿。

柔性印制线在手机中会形成一根约7”的天线,它还会对系统孕育发生很大年夜滋扰。为了低落RF和USB 3.0旌旗灯号的滋扰,必要对接口走线进行樊篱。然则因为走线长度、位置以及手机空间异常紧凑的缘故,这就很难实现。

另一种措施是经由过程在连接器相近放置外部ReDriver,让SoC驱动旌旗灯号能够以较低的摆幅输出。由于经由过程手机的驱动电流较低,芯片组和连接器之间旌旗灯号路径孕育发生的EMI获得低落。这意味着滋扰减小,可以无需采纳附加樊篱。因为ReDriver可以放置在连接器左右,旌旗灯号可以在脱离手机时放大年夜,从而可进一步低落EMI。

ReDriver放在连接器相近使得对这部分进行樊篱加倍轻易并且资源较低。将系统这样划分还能使设计职员在部署芯片组、射频电路和天线时加倍机动。

此外,将ReDriver放置在手机边缘处,还能经由过程在ReDriver两端平衡通道损耗使其加倍有效。若旌旗灯号疗养功能集成到SoC上,总的通道长度包括7”走线以及芯片组相近的转换部分。若旌旗灯号是由连接器相近的ReDriver放大年夜和疗养的,ReDriver和芯片组之间的任何损耗都可以零丁处置惩罚而不用混杂在一路处置惩罚,这使设计职员能够得到更大年夜余量。同时,这也能提升旌旗灯号余量,从而支持更长或更低质量的线缆。

USB开关将一个USB 3.0接口扩展至多个

在采纳USB作为接口标准的利用中,必要采纳USB开关对USB旌旗灯号进行连接和路由。设计职员采纳USB开关,只需对现有设计进行改动,而无需从新开拓新的系统,从而能够赞助低落设计周期。例如,在现场调试利用中,USB开关能为调试供给可选路径,而无需影响设备事情。

USB开关(多路复用/解复用器,Mux/De-Mux)是一种双向器件,从多路USB输入旌旗灯号中选择一起(USB 3.0为Tx+、Tx-/Rx+、Rx-)传输到单根线路,或者是反偏向传输。USB开关采纳带电荷泵的NMOS管设计;电荷泵能够赞助提升栅极电压,避免输出电压受阈值钳位(图4、图5)。

选择USB开关时必要斟酌8个关键参数:

3dB带宽:3dB带宽一样平常指设备在可吸收损耗下能够路由的最大年夜频率旌旗灯号。要使USB 3.0旌旗灯号能够在5Gbps速度下抱负事情,事情频率应大年夜于2.5GHz。频率越高,系统机能越好。Pericom供给的USB 3.0开关,其3dB带宽高达10.6GHz。

导通电阻及Ron平整度:导通电阻(Ron)是漏极和源极之间开关闭应时的电阻。Ron应尽可能低,以在吞吐历程中做到险些无能量损耗。Ron平整度是导通电阻在全部旌旗灯号范围下的变更程度。Ron平整度定义为在指定模拟旌旗灯号范围内,导通电阻的最大年夜和最小丈量值之差。Ron平整度与掉真有关,是以它越低,掉真越小。

插入损耗:插入损耗是衡量给定频率下功率损耗或旌旗灯号衰减的指标。该指标以dB表示,大年夜于1或2dB将使峰值旌旗灯号电平衰减,增添上升光阴和下降光阴。Pericom USB 3.0开关的插入损耗在5GHz时为-1.3dB。

返回损耗:返回损耗一样平常是因为电路间的阻抗掉配而导致的。返回损耗越低越好,具有较好返回损耗机能的开关能够确保开关的最优功率传输。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回损耗为-30dB。

关断隔离:关断隔离是关断状态下的开关从左近导通状态下的开关捕获的噪声大年夜小。在较高频率下(如5Gbps或2.5GHz的USB 3.0、8Gbps或4GHz的PCIe 3.0),隔离变得加倍紧张。较好的隔离可低落旌旗灯号受其他通道旌旗灯号的影响,保持被测旌旗灯号的完备性,低落系统丈量的不确定性。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的关断隔离为-26.7dB。

串扰:串扰是电路之间旌旗灯号耦合的程度。串扰平日是由一个电路(电路的一部分或者通道)受另一个电路不期望的电容电感或电导性耦合所引起的。较高的串扰会使旌旗灯号劣化。PI3USB304在2.5GHz下的串扰为-38dB。

ESD保护:ESD保护是USB开关的一项紧张功能。标准的USB开关设计成能遭遇高达±2kV的人体模型(HBM)放电。设计职员可在外部增添附加的ESD保护,然则这会就义宝贵的电路板面积,对输入/输出线路增添电容。是以,Pericom USB开关设计成能够遭遇高达±8kV的ESD。

过压保护:过压保护意味着确保开关能够遭遇模拟输入上跨越电源的指定电压。Pericom的USB开关具有5V保护。

评论争论完设计USB开关时应留意的功能和关键指标,这里再先容一些USB3.0的详细利用。

在条记本扩展底座利用中,USB 3.0开关可用于在条记本USB端口和扩展底座USB连接器之间实现切换(图4)。在该利用中应用USB 3.0 ReDriver,还可赞助规复PCB、线缆和连接器上的旌旗灯号完备性问题。

WiFi内存是一种简单的无线设备,主要由三个简单模块组成:集成WiFi模块、MCU和内置内存(HDD)。WiFi内存采纳USB 3.0开关,在HDD和经由过程WiFi模块或USB端口连接的设备之间传输数据(图7)。

KVM开关(KVM是“键盘、视频和鼠标”的缩写)是一种应用户能够经由过程USB接口,应用一个或多个键盘、视频监视器和鼠标节制多台谋略机的硬件设备。USB开关使USB 3.0设备(键盘或鼠标)能够在两个USB主机系统中进行选择,或者在两个USB 3.0设备之间共享USB 3.0主机系统。

本文小结

针对3D摄像头和Type-C等利用中的旌旗灯号完备性问题,Pericom公司供给了一系列有效的低功耗USB 3.0 ReDriver办理规划。Pericom超低功耗USB 3.0 ReDriver能够增强3D摄像头/Type-C利用的眼图余量;确保USB 3.0主机和设备之间的连接靠得住,并具有低误码率。该器件已获USB 3.0 Compliance Committee/Workshop完全认证;能够规复FR4走线、过孔、连接器、FPC线缆和外部USB 3.0线缆对旌旗灯号的影响;并能在USB 3.0端点处补偿均衡损耗。

同时,Pericom公司供给了一系列的USB开关产品,包括1.8V和3.3V供电、2:1和4:1多路复用,以及USB 3.0和USB 2.0混杂开关等多种类型。该公司供给的现成办理规划还能够赞助设计职员加快系统设计。

责任编辑:gt

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