符合USB 2.0要求并解决实际应用难题

引言

在全球的便携式设备制造商中存在着一种明确的趋势，那就是利用迷你型USB或微型USB连接器来标准化和简化器件的连接。为了节省空间，同时又不影响器件功能性，单个USB连接器必须能够共享多个独立的信号。在许多情况下，为了共享单个端口并显着增强便携式设备功能性，增加一个USB开关是最快捷可靠的方法。端口共享应用包括让单个端口共享专用高速USB控制器和集成式全速控制器，以及使到单个USB端口共享USB、音频和视频信号。

要选择正确的开关以实现这些目标，需要考虑到的数据表上的参数就不止一两个。在许多情况下，选择某个最适合产品的原因不仅在于它满足眼图符合性要求，还因为它能够简化电路板版图，保护器件免受USB故障的损害，或者是节省电池能量。本文将简要介绍几个实际应用挑战，并解释主要的决策变量，我们涵盖的主题包括：

• 获得一致的USB眼图符合性结果

• ESD保护功能要求

• 符合USB 2.0 VBUS短路保护要求

• 保持低耗电量，延长电池寿命

这些信息将有助于设计人员对各种不同的USB开关进行分类拣选，最终选出最适合自身应用的优化解决方案。

获得一致的USB眼图符合性结果

系统设计人员面对的挑战之一是在应用中比较不同的USB开关时，USB眼图结果不一致。大多数工程师明白到为了获得良好的眼图，需要较低的导通阻抗 (RON) 和导通电容 (CON)，但这两个指标彼此竞争，要确定二者间的最佳平衡是很困难的。因此，在选择USB开关时，RON 和 CON之间的权衡十分重要。在大多数情况下，这两个指标呈逆相关，即RON改善，CON就变差，反之亦然。

RON 和 CON之间的权衡在眼图中最容易观察到。图1为眼图示例，图中有一些标记可作为参考点。尽管这个示例显示一个非常干净的眼图，但仍然足以说明RON 和 CON对眼图符合性的影响。由图可见，RON 值较低，信号衰减会相应减小，并导致眼罩和分层眼图间的“净空”更大。由于信号路径上的电容会降低信号的边缘速率，所以在眼图中这表现为上升边缘的斜坡更缓。如果电容太大，眼图变扁，将会向两延伸触及眼罩，而较低的CON 也会改进眼图符合性结果。要获得最佳结果，应该选择CON 和 RON在很低的USB开关，另外，在比较这两个彼此竞争的指标时，相比 RON，给予CON优先考虑。

图1 举例说明RON 和 CON 对眼图的影响

USB规范建议USB数据路径的总电容小于10pF。除了USB开关之外，造成线路电容的因素还有很多，包括USB收发器输出电容、杂散电容和其它共享D+/D-线路的任何组件。

除固有的开关特性外，电路板设计和版图也对确定USB眼图符合性起着举足轻重的作用，因为它们各自都会产生一些寄生电容，造成一定的信号衰减。鉴于此，我们强烈建议所有传输高速USB信号并需要满足USB符合性要求的PCB板都遵循高速电路板设计原则。主要原则如下：

• USB开关尽可能地靠近USB控制器，这两者又尽可能地靠近USB连接器，始终保持迹线长度最小。而为了获得最佳性能，我们建议从控制器到开关的距离不超过传输电长度的1/4 (或18mm)。

• 确保每个D+/D-对使用紧密耦合的90欧姆差分控制阻抗迹线 (如带状线或微带线)。

• 当需要在邻近层上进行差分线对布线时，尽量让迹线呈正交方向。

•如果可能，在同一层上的并行差分线对之间放置一个GND带。这样，信号引脚和隔离GND线之间的间距应该如图2所示。

图2  PCB线路间距建议数值

• 邻近层上的差分线对按正交方向进行布线。

• 高速USB信号线上尽量减少通孔的使用。只在必要时使用通孔。

• Vias上的通孔直径最小化，以尽量减少寄生电容。

• 确保所有USB传输线长度相同，尽量避免歪斜。

• 0.01uF的电源旁路电容尽可能靠近高速USB开关的VCC引脚放置。

按照上述电路板版图指南进行设计，可以降低信号反射的机会，增加获得一致的USB眼图符合性数据的可能性。

USB开关一般尽量靠近USB连接器，同样也常常是最易受ESD事件影响的器件之一。因此，应该选择具有稳健ESD保护功能的USB开关。在数据表上有好几种不同标准的ESD额定值，而大多数USB开关都有一个基于人体模型 (Human Body Model, HBM) 的ESD额定值，一般使用JEDEC标准来测试。

这种额定体系应该视为单个IC实际ESD稳健性的最精确表示。IC组件上出现的第二个额定ESD是IEC系统级规范要求，最初设立是为了对系统能够承受的ESD进行等级划分。不过，IEC额定体系从来不是用来保证具体某个集成电路的，因为即使采用相同的USB开关，实际性能也可能因为系统不同而变化极大。基于这个原因，业界普遍认为8kV的JEDEC HBM测试对USB开关这类可能是放电路径上第一个器件的产品已经足够。另一个要点是，虽然USB开关保证ESD保护功能的级别，但它们通常只能够保证被保护的USB开关的ESD级别。因而，USB开关无法保证某个ESD事件不会损害电路板上的其它IC，因为每个IC的灵敏度是不同的。

例如，相比尺寸较大的USB开关，一些小几何尺寸的处理器受ESD事件的影响要大得多。尽管USB开关的ESD保护电路会过滤掉ESD事件带来的大部分损害，但保护电路板上的其它IC仍然十分重要。许多设计人员刚开始的反应对策可能是在D+/D-输入线路上增加额外的ESD保护器件。做出这一决策时，必需非常谨慎，因为如前所述，高速USB眼图对电容负载非常敏感。在增加TVS二极管或其他ESD抑制器件时，应该仅仅作为最后的方法。而最好的办法是选择一个额定HBM至少为8kV，且USB眼图性能极好的USB开关。如果在对此解决方案进行评估之后，设计人员仍然担心ESD保护问题，这时应该只使用专门设计的低电容ESD保护阵列器件，这种器件在高速数据路径上增加的电容性负载小于1pF。

符合USB 2.0 Vbus短路保护要求

要真正符合USB 2.0规范，USB开关还应该包含另外两个重要的功能，即USB引脚上的过压保护和断电保护功能。在USB规范的要求下，USB信号路径上的任何器件都应该能够在24小时以内承受D+ / D-线路上的短路。飞兆半导体的FSUSB30是业界首款完全满足这一USB规范要求的USB开关产品。而飞兆半导体之后推出的USB开关及其它产品也整合了这项保护功能。这一要求是专门针对有缺陷的线缆或端口而设计的，在这种情况下，5V Vbus线可能与任一D+ 或 D-信号线路发生意外短路，这项功能可以保护系统免受所引起的持续的永久性损害。

在一个无保护功能的USB开关中，如果存在Vbus短路条件，可能引发若干问题。这最常见于电池电压在4.3V左右的电池供电应用设备中的USB开关。在这些情况下，VBUS线上的5V短路会导致电流泄漏路径经过USB信号引脚，并延伸出USB 开关 VCC电源引脚，而泄漏有可能相当大，足以损害USB开关乃至系统中共享同一个电源节点的其它器件。在USB开关断电的情况下，USB开关应该能够在连接器D+ 与D-输入和开关后面的USB主控制器之间提供隔离。在VBUS短路期间，无断电保护和OVT功能的开关无法保证，如USB开关保持断电，信号线路保持隔离状态，损害不会持续。

保持低耗电量，延长电池寿命

在USB开关的选择中，最后也是最重要的考虑因素是，应该选择一个有助于延长便携应用设备的电池寿命的开关。首先，采用无源设计架构的开关是最有效的选择，因为这种开关即使在USB信号发送期间 (这时控制信号为高 (VCC) 或低完全驱动 (GND)) 耗电量一般也不到1uA。有些USB开关供应商选用电荷泵架构来改善眼图符合性，但这种方案的代价是功耗增加。但Con 和 Ron值都在于低的无源开关，在USB眼图符合性测试期间可提供足够的余量，同时对系统电池寿命几乎没有显着的影响，因此是最佳选择。

第二个节能特性是“低 ICCT”。在许多应用中，USB开关必须在较低电压处理器或控制器芯片与较高电压USB信号之间起到连接作用。对于无低ICCT的开关，这可能产生数毫安的电流，同时，开关控制引脚受较低电压的系统控制器芯片驱动为高电平。此外，由于大多数USB开关是直接由电池电源 (或最高调节电压)供电的，并受低电压 (1.8-2.7V)通用输入输出 (GPIO) 控制器控制，这些过程中耗电量增加的可能性很大。图2中的示例对 FSUSB42和没有这种功能的竞争性USB开关的耗电量进行了比较。结果显示，对于典型的应用条件，无保护功能USB开关在选择引脚 (select pin) 保持高电平的整个期间内耗电量为1mA，而FSUSB42还不到2uA。

图3  飞兆半导体FSUSB42 低ICCT 开关 (蓝色) 与无保护功能的其他 USB开关之比较，其中VCC=3.8 V，选择引脚驱动电压为2.6V。

要了解有关低ICCT、断电保护功能和高速USB版图指南的应用说明和更多详细解释，请通过以下链接访问飞兆半导体的“USB开关”网页：https://www.fairchildsemi.com/products/switches/usbswitch.html