【導讀】USB 3.0已經(jīng)成為時(shí)下流行的數據傳輸接口。與USB 2.0相比，它更快更優(yōu)異。但是在USB 3.0的系統設計中，工程師不得不考慮兩個(gè)問(wèn)題，一是信號的完整性，二是采用USB開(kāi)關(guān)器件。
USB 3.0正逐漸成為最有前景的數據傳輸接口之一。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)數據；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I/O互聯(lián)的事實(shí)標準。
在系統中設計USB 3.0時(shí)，需要考慮兩個(gè)重要問(wèn)題。USB 3.0作為一種高速傳輸接口，信號完整性是系統設計人員遇到的首要問(wèn)題——它會(huì )降低傳輸信號的質(zhì)量。信號調理利用加重和均衡技術(shù)校正抖動(dòng)和衰減損耗，為信號完整性恢復提供了解決方案。在線(xiàn)路中增加補償器件（如ReDriver），能夠對通道內其余部分產(chǎn)生的衰減進(jìn)行補償。
擴展USB 3.0應用的另一個(gè)重要方法是采用USB開(kāi)關(guān)器件。設計人員要想加快上市時(shí)間，需要能夠在其現有設計中靈活運用USB 3.0/2.0接口。采用USB開(kāi)關(guān)，將無(wú)需對USB 3.0進(jìn)行調試，從而能夠幫助快速實(shí)現這一目標。
用USB ReDriver延長(cháng)USB信號的傳輸距離
設計人員在設計USB 3.0系統時(shí)所面臨的一個(gè)挑戰是，如何確保高速傳輸的信號能夠在經(jīng)歷最長(cháng)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數據在USB 3.0 3D攝像頭和USB 3.0主機之間傳輸時(shí)，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(zhù)USB接口在移動(dòng)設備上變得流行，新的Type-C接口推向市場(chǎng)；Type-C連接器及帶Type-C開(kāi)關(guān)的Type-C線(xiàn)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(guò)降低發(fā)射器與接收器之間的通信損耗來(lái)實(shí)現。然而，隨著(zhù)信號頻率增加，PCB走線(xiàn)、連接器、過(guò)孔和線(xiàn)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。根據特定的使用協(xié)議，總損耗會(huì )超出控制器所能可靠傳輸數據的能力（即至少將誤碼率維持在10-12）。
一般，FR4 PCB材料傳輸速率每增加10Gbps，通道損耗就會(huì )增加約1dB。連接器和過(guò)孔損耗也要算進(jìn)來(lái)。
對于開(kāi)發(fā)人員利用高速接口開(kāi)發(fā)系統的情況，有兩個(gè)指標正成為影響系統完整性的重要指標：功率和工藝尺寸。復雜的系統級芯片（SoC）在單芯片上集成了處理器、I/O、內存以及其他功能。為了提高處理性能，實(shí)現較高的功率效率，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引腳兼容，以簡(jiǎn)化在現有設計中的集成。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(dòng)信號降低的問(wèn)題。比如，手機和其他小尺寸系統的芯片組制造商面臨的問(wèn)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(huì )影響電池壽命。然而，工作在較高頻率會(huì )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(dòng)功率，并極大降低高速鏈路的驅動(dòng)輸出，繼而降低驅動(dòng)長(cháng)度（一些SoC不可能針對超低功率設計，仍然會(huì )維持高功率驅動(dòng)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(xiàn)/線(xiàn)纜長(cháng)度。例如，當SoC遷移到下一個(gè)工藝節點(diǎn)時(shí)，集成USB控制器的驅動(dòng)長(cháng)度可能降低一半。 因此，若SoC與前代引腳兼容，它將無(wú)法做到驅動(dòng)兼容。通道損耗在信號驅動(dòng)降低的情況下可能變得太大，這樣，采用前代SoC設計的符合規范的通信通道遷移到下一代器件時(shí)，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(guò)一致性測試，許多開(kāi)發(fā)人員通過(guò)在接收端測量信號眼圖來(lái)測試信號完整性。
圖1(A)中，發(fā)送端信號眼圖很好地打開(kāi)，并且信號抖動(dòng)和衰減在可接受范圍內。然而，通道內走線(xiàn)（標準FR4 PCB在12Gbps速率下?lián)p耗約為1.2dB/in）、過(guò)孔（每個(gè)達2dB）、線(xiàn)纜（根據線(xiàn)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(zhù)上升（圖1(B)）。這降低了通道的可靠性和吞吐率。信號調理利用加重和均衡技術(shù)校正抖動(dòng)和衰減損耗，為信號完整性恢復提供了一種方法。在通信通道內引入ReDriver或中繼器后，ReDriver會(huì )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(huì )產(chǎn)生的損耗進(jìn)行補償。在采用ReDriver對信號進(jìn)行調理后，接收端的信號眼圖打開(kāi)，信號和數據完整性得以恢復（圖2）。這樣，信號能夠可靠傳輸更遠距離，連接器的個(gè)數可以增加。
為獲得最好的性能，ReDriver在通道內的理想位置是中點(diǎn)，以將其兩端的通道損耗平分。
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ReDriver提供的信號調理對通信信道是透明的。它不會(huì )對數據進(jìn)行解碼或對協(xié)議命令進(jìn)行評估，而是恢復最初信號的完整性，使其通過(guò)。ReDriver的參數根據通道表征選取，它將獨立于系統的其余部分工作。
對于使用線(xiàn)纜的（例如許多消費類(lèi)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(hù)想要通過(guò)線(xiàn)纜將手機連接到電視，線(xiàn)纜至少需要有兩米長(cháng)，才能使連接到電視背后，不至于使用戶(hù)離屏幕太近而感到不舒適。消費者一般不會(huì )參考接口規范，他們買(mǎi)回線(xiàn)纜是希望它能工作。這樣，他們買(mǎi)到的線(xiàn)纜可能比系統指定的更長(cháng)，或者使用質(zhì)量較差、屏蔽不好的線(xiàn)纜。
隨著(zhù)便攜設備新應用的增加，對較長(cháng)和較便宜線(xiàn)纜提供支持的需求將會(huì )與日俱增。雖然這些應用可能最終會(huì )采用無(wú)線(xiàn)通信，但是現在還沒(méi)到這個(gè)時(shí)候。例如，在大多數消費者都有可傳送視頻流的便攜設備時(shí)，僅有少數電視提供無(wú)線(xiàn)連接。因此，保證線(xiàn)纜的信號完整性對消費者來(lái)說(shuō)將是一個(gè)重要特性。采用ReDriver延伸長(cháng)度的“有源”線(xiàn)纜在市場(chǎng)上正不斷增加。
為了實(shí)現最佳性能，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，高速接口應設計成閉合通道或受限制的開(kāi)放通道，這意味著(zhù)通道最大長(cháng)度由通道損耗小于4dB確定。具有數據線(xiàn)的應用通過(guò)提供標準的數據線(xiàn)可設計成閉合通道。
ReDriver放置需要考慮系統的整個(gè)架構。例如，對于許多小尺寸設備，損耗的中點(diǎn)可能在附加線(xiàn)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)現最好的信號調理。確定最佳位置需作正規的通道分析。更復雜的系統可能要放在不同的位置。
SoC架構的一個(gè)優(yōu)勢是將應用所需的多個(gè)功能集成到一個(gè)單芯片中。這種方法的優(yōu)勢很明顯，包括功耗、尺寸和價(jià)格降低，以及使設計得到簡(jiǎn)化（因為功能模塊的耦合更加緊密）。然而，這對信號驅動(dòng)帶來(lái)了不利一面。
信號驅動(dòng)輸出較高會(huì )產(chǎn)生電磁干擾（EMI），對鄰近電路產(chǎn)生不期望的噪聲。在SoC的有限區域內，高速接口的EMI會(huì )對RF子系統造成破壞。這不僅會(huì )降低射頻可靠性，還會(huì )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對系統可靠性的影響取決于系統的總體設計。例如，在手機和平板電腦中，考慮到滿(mǎn)足緊湊空間的需求，I/O口線(xiàn)通常是繞過(guò)電池布線(xiàn)的。攝像頭/USB端口通常設置在系統的頂部和底部——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(guò)帶專(zhuān)有連接器的柔性印制線(xiàn)（FPC）來(lái)實(shí)現（圖3）。
柔性印制線(xiàn)在手機中會(huì )形成一根約7”的天線(xiàn)，它還會(huì )對系統產(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(xiàn)進(jìn)行屏蔽。但是由于走線(xiàn)長(cháng)度、位置以及手機空間非常緊湊的緣故，這就很難實(shí)現。
另一種方法是通過(guò)在連接器附近放置外部ReDriver，讓SoC驅動(dòng)信號能夠以較低的擺幅輸出。因為通過(guò)手機的驅動(dòng)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(zhù)干擾減小，可以無(wú)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(kāi)手機時(shí)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。將系統這樣劃分還能使設計人員在布置芯片組、射頻電路和天線(xiàn)時(shí)更加靈活。
此外，將ReDriver放置在手機邊緣處，還能通過(guò)在ReDriver兩端平衡通道損耗使其更加有效。若信號調理功能集成到SoC上，總的通道長(cháng)度包括7”走線(xiàn)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(shí)，這也能提升信號余量，從而支持更長(cháng)或更低質(zhì)量的線(xiàn)纜。
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USB開(kāi)關(guān)將一個(gè)USB 3.0接口擴展至多個(gè)
在采用USB作為接口標準的應用中，需要采用USB開(kāi)關(guān)對USB信號進(jìn)行連接和路由。設計人員采用USB開(kāi)關(guān)，只需對現有設計進(jìn)行修改，而無(wú)需重新開(kāi)發(fā)新的系統，從而能夠幫助降低設計周期。例如，在現場(chǎng)調試應用中，USB開(kāi)關(guān)能為調試提供可選路徑，而無(wú)需影響設備工作。
USB開(kāi)關(guān)（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T(mén)x+、Tx-/Rx+、Rx-）傳輸到單根線(xiàn)路，或者是反方向傳輸。USB開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)中，NMOS開(kāi)關(guān)的柵極帶有電荷泵。
圖5：1:2通道USB 3.0開(kāi)關(guān)。
選擇USB開(kāi)關(guān)時(shí)需要考慮8個(gè)關(guān)鍵參數：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，系統性能越好。Pericom提供的USB 3.0開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電阻。Ron應盡可能低，以在吞吐過(guò)程中做到幾乎無(wú)能量損耗。Ron平整度是導通電阻在整個(gè)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，導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。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(shí)間和下降時(shí)間。Pericom USB 3.0開(kāi)關(guān)的插入損耗在5GHz時(shí)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(kāi)關(guān)能夠確保開(kāi)關(guān)的最優(yōu)功率傳輸。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回損耗為-30dB。
關(guān)斷隔離：關(guān)斷隔離是關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)從鄰近導通狀態(tài)下的開(kāi)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，降低系統測量的不確定性。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的關(guān)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(gè)電路（電路的一部分或者通道）受另一個(gè)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(huì )使信號劣化。
PI3USB304在2.5GHz下的串擾為-38dB。
ESD保護：ESD保護是USB開(kāi)關(guān)的一項重要功能。標準的USB開(kāi)關(guān)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(huì )犧牲寶貴的電路板面積，對輸入/輸出線(xiàn)路增加電容。因此，Pericom USB開(kāi)關(guān)設計成能夠承受高達±8kV的ESD。
過(guò)壓保護：過(guò)壓保護意味著(zhù)確保開(kāi)關(guān)能夠承受模擬輸入上超過(guò)電源的指定電壓。Pericom的USB開(kāi)關(guān)具有5V保護。
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討論完設計USB開(kāi)關(guān)時(shí)應注意的功能和關(guān)鍵指標，這里再介紹一些USB3.0的具體應用。
圖6：USB 3.0開(kāi)關(guān)在筆記本擴展底座上的應用。
WiFi內存是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)設備，主要由三個(gè)簡(jiǎn)單模塊組成：集成WiFi模塊、MCU和內置內存（HDD）。WiFi內存采用USB 3.0開(kāi)關(guān)，在HDD和通過(guò)WiFi模塊或USB端口連接的設備之間傳輸數據（圖7）。
在筆記本擴展底座應用中，USB 3.0開(kāi)關(guān)可用于在筆記本USB端口和擴展底座USB連接器之間實(shí)現切換（圖4）。在該應用中使用USB 3.0 ReDriver，還可幫助恢復PCB、線(xiàn)纜和連接器上的信號完整性問(wèn)題。
圖7：USB 3.0開(kāi)關(guān)在WiFi內存中的應用。
KVM開(kāi)關(guān)（KVM是“鍵盤(pán)、視頻和鼠標”的縮寫(xiě)）是一種使用戶(hù)能夠通過(guò)USB接口，使用一個(gè)或多個(gè)鍵盤(pán)、視頻監視器和鼠標控制多臺計算機的硬件設備。USB開(kāi)關(guān)使USB 3.0設備（鍵盤(pán)或鼠標）能夠在兩個(gè)USB主機系統中進(jìn)行選擇，或者在兩個(gè)USB 3.0設備之間共享USB 3.0主機系統。
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