USB消费类应用中的开关

作者：Eva Murphy and Padraig Fitzgerald

通用串行总线 （USB） 已成为满足终端设备之间快速数据传输不断增长的需求的主导接口，例如，在 PC 和便携式设备（如手机、数码相机和个人媒体播放器）之间下载和上传数据。

CMOS开关可用于连接和布线USB系统中的数据线。通过选择合适的开关，设计人员可以通过增强现有设计而不是开发新设计来显著缩短设计周期。在本文中，我们将介绍USB，然后继续探讨开关在提高便携式媒体播放器、手机和无线笔式驱动器等应用性能方面的关键作用。我们还展示了开关的关键参数如何影响整体系统设计，并讨论了基本设计挑战，例如满足带宽要求和最小化信号反射之间的权衡。此外，我们建议如何通过仔细的电路板布局来最大化眼图的开口。

什么是USB，为什么它变得如此流行？

USB已成为世界上最受欢迎的PC到外围设备通信标准。键盘、打印机、数据存储设备和移动电话是可以连接到 PC 的众多外围设备之一，采用 USB 标准。以前使用串行端口和并行端口的设备正在迁移到USB，而硬盘驱动器和数码相机等设备的设计人员通常选择USB而不是其他标准，例如FireWire或串行端口通信。与手机、MP3 播放器和游戏机的连接是另一个最近的发展。

USB的主要吸引力在于即插即用的能力。设备插入PC机，被PC识别;然后，在首次安装适当的软件后，主机 PC 将始终识别该设备 — 用户友好的握手。

USB 实施者论坛公司是一个由计算机和电子行业领先公司赞助的行业标准生成机构，它制定了 USB 标准。设备设计可以获得 USB 认证，并在产品上使用 USB 符号，但前提是要通过非常严格的软件和硬件测试。这确保了从软件和硬件的角度来看，所有 USB 认证的设备（无论是 PC 还是外围设备）在互连时都能正常运行。该标准确保所有经过认证的软件例程、连接器、电缆、信号驱动器和接收器都符合要求，从而确保互操作性。

USB基于串行主从架构。通常，PC 是主机，称为主机（图 1b）;它控制事务。从站（称为外设）告诉主机其带宽要求，然后启动数据事务。正常 USB 事件的完整序列包括以下步骤：

外围设备插入主机（启动 USB 事件）

握手（外设识别，带宽分配）

批量数据传输（例如，到打印机）或外围轮询（鼠标）

主机禁用的外围设备

外设已断开连接

图 1b.典型的主机和外围 USB 设备。

USB系统中使用的硬件使用2线（加接地）差分双向系统传输数据。数据线D+和D–传输数据，如图2所示。数据只能在一个方向上传输，因此在一个实例中，主机在外设接收时传输，然后外设在主机接收时传输。USB 标准还包括一条 5V 电源线。它通常用于为下游设备供电，无需在低功耗设备（如 USB 笔式驱动器、网络摄像头和键盘）中使用电池。

图2.USB 互连。

USB 1.1 和 USB 2.0 如何比较？

USB 标准规定了三种数据速率：低速 （1.5 Mbps）、全速 （12 Mbps） 和高速 （480 Mbps）。USB 1.1 设备具有 ±3.3V 信号电平，可在低速和全速下运行。USB 2.0 设备具有 ±400mV 信号电平，可在低速、全速和高速下运行。

表 I. USB 1.1 和 USB 2.0 的比较

 

	USB 1.1 接口	USB 2.0 接口
象征
命名法	低速/全速	低速/全速/高速
比特率（Mbps）	1.5/12	1.5/12/480
单端幅度	0 V 至 3.3 V	0 V 至 400 mV

 

什么是 USB On-the-Go （USB OTG）？

许多作为 USB 外围设备连接到 PC 的消费类产品（如手机和数码相机）也可以连接到其他 USB 设备。由于在这种情况下，PC不能成为主机，因此外围设备之一需要承担责任。USB OTG 定义了双重角色设备，它可以充当主机或外围设备，并且可以对 PC 和其他便携式设备使用相同的连接器。

通过启用数字设备之间的基本功能，USB OTG使这些PC外设功能更强大，因此对消费者和企业用户更有价值。当然，USB OTG设备将连接到PC，因为它们符合USB 2.0规范。此外，它们的主机功能有限，无法连接到一组目标的其他 USB 外围设备。当两个双角色设备通过电缆连接在一起时，电缆会设置默认主机和默认外围设备。如果应用程序要求反转角色，则主机协商协议 （HNP） 会提供握手来执行该功能，用户完全看不到这种反转。

USB 1.1/USB 2.0 的交换机要求是什么？

USB 数据线 D+ 和 D–可通过内部 CMOS 开关进行连接和路由。在图3的示例中，开关与每条数据线串联连接。使用多路复用器可提供额外的交换机容量。低速、全速和高速 USB 使用 45 欧姆系统;驱动器的源阻抗为 45 欧姆，接收器的接地端接为 45 欧姆。所有 USB 电缆和磁道应具有 45 欧姆的单端阻抗，以保持信号完整性。稍后我们将讨论传输线阻抗和电路板布局

图3.USB 45 欧姆系统。

USB标准要求进行严格的测试，以确保信号的处理符合其要求。其中一个关键的测试是“眼睛”图。这是一个直观的视觉测试，可以说明信号的质量。眼图是通过探测随机变化的数字信号，绘制它与一个或多个周期的扫描，并设置长期持久性的范围来生成的。结果是，所有可能的位排列都叠加在单个视图上，显示幅度、相位以及上升和下降时间与理想“眼图”模式的偏差范围。因此，任何可能导致问题的位模式都可能在图上看到。

图 4 取自 USB-IF 规范，显示了用于建立眼图的设置。USB-IF分配的“SQiDD”（信号质量下降/下降）测试板充当主机;并且鼠标（被测设备）已插入此主板。探测信号D+和D-，然后叠加在示波器上，生成眼图。然后将眼睛开口与所需形状的掩模进行比较，以使观看者看到信号质量是否符合USB标准。

图4.USB IF 建议进行眼科测试设置。

在测试CMOS开关是否适用于USB产品时，由于它们在信号路径中的设备内使用，因此不能将其作为USB设备进行测试。因此，可以使用数据发生器来生成所需的信号，并且该信号通过开关，在示波器处终止。示波器使用外部时钟触发，该时钟与随机数字信号同步。这将产生CMOS开关的眼图。

例如，图5显示了一组典型的眼图，以USB高速数据速率（480 Mbps）和信号电平（0至400 mV）生成。他们比较了ADG774A（带宽>500 MHz）和ADG736（带宽200 MHz）CMOS开关的性能，并传递相同的信号。图中包括一个USB-IF掩码（红色六边形）。根据USB规范，如果信号越过掩码的边界，设备在信号完整性方面失败。

图5.ADG774A和ADG736在USB高速下的比较。

图示显示，ADG774A符合模板标准，即使在如此高的数据速率下，纹波也很小。然而，ADG736具有较高的电容和更低的带宽，会减慢边沿，从而导致信号穿过左侧的模板——这显然是违规行为，使其无法用于传输高速USB信号。其他值得注意的信息是ADG736眼图缺乏水平对称性，而ADG774A即使在如此高的数据速率下也非常对称。然而，两个开关在垂直方向上都表现出良好的对称性，这表明两个器件上的两个通道匹配良好。在为 USB 应用选择交换机时，通道匹配是一个大问题。在差分系统中，D–信号必须与D+信号完全相反。D+ 和 D– 线之间电缆长度、电容和电阻的不匹配会导致眼部严重偏斜，表现为垂直不对称。信号交叉的点（交叉点）应以地面为中心。抖动对于 USB 认证也至关重要。边缘越厚，抖动越严重——这些CMOS开关不是问题。实际上，在移除开关后，看到的抖动也是可见的，这表明抖动存在于系统中。

图6是ADG787的典型曲线图，使用USB全速信号（0 V至3 V，12 Mbps），设置与上述曲线类似。显示的掩码取自 USB 全速的 USB-IF 规范。使用的信号的上升和下降时间为六纳秒。可以看出，信号没有上面讨论的故障。没有遮罩违规，抖动良好，交叉和对称性良好，并且几乎没有波纹。这些图展示了眼图的价值，一目了然，我们可以得出结论，该ADG787可以轻松传递全速USB信号。

图6.USB全速时ADG787的眼图。

如何为 USB 应用选择 CMOS 开关

现在，我们将说明开关的具体要求以及它们如何影响信号。本节将研究开关规格与整体系统信号完整性之间的相关性。

两种标准的开关要求都要求尽可能低的导通电阻和低电容。两个开关的特性需要尽可能精确地匹配，以保持数据线对称。

关于电阻

在 45 欧姆系统中，大于 5 欧姆的导通电阻是不可取的，因为 5 欧姆导通电阻会增加源阻抗，使其达到 50 欧姆。为了使接收器接收 3V 信号，45 欧姆源发送 6 V 信号，理想情况下，由 45 欧姆源和端接阻抗形成的分压器使该信号减半。如图7所示，该图显示开关是与驱动器串联的电阻。当 5 欧姆串联时，接收器看到一个 50 欧姆的源和 45 欧姆的接地。

图7.作为电阻器的开关模型

这些公式比较了理想开关与串联电阻为 5 欧姆的开关的性能。交换机引入了显著损耗 （>5%）。因此低 R上至关重要。

 

 

CMOS开关的源漏电阻随电源电压和偏置电压而变化，如R所示上ADG787开关的绘图。随着源极电压的变化，从源极到漏极测得的电阻会发生变化。

图8.ADG787输入源电压的导通电阻变化

如果开关的电阻随偏置电压、温度或电源而变化，则接收器看到的幅度也会发生变化，如变化的R所示。上（即 R上+ δ R上).

R上平坦度对于确保开关的上升和下降时间尽可能接近也至关重要。如果 R上随着偏置的变化，上升沿和下降沿在其转换的不同阶段会产生不同的阻抗。这里的差异将被视为眼图中糟糕的交叉。

因此，R上电源电压、温度和偏置的变化是设计用于USB产品的开关时的重要考虑因素。R 的变异性上过电源容差和温度在眼图中会被视为抖动。通常，较低的R上意味着更低的平坦度和失真，如图9（ADG836）与图8的比较可以看出。ADG836是一款双通道SPDT开关，采用0.35 μm几何尺寸制造，具有上平坦度约为0.5欧姆和0.05欧姆，而ADG2的平坦度为0欧姆和25.787欧姆。保持 R上低是保持R的关键上平坦度低。

图9.ADG836的超低导通电阻可确保出色的导通电阻平坦度。

设计时通道应尽可能匹配，以确保上和 ΔR上对于传递差分信号的两个开关通道是相同的。眼图表明导通电阻匹配不良。

电容

CMOS开关在导通状态下的电容随着开关尺寸的增加而增加。但是，由于通过增加开关尺寸来实现低导通电阻，因此在R之间需要直接权衡。上和电容。该电容决定了开关的带宽，对于高速USB信号来说变得更加重要，因为大于10 pF的开关电容会显著降低信号质量。高电容会减慢边缘速度，导致眼睛穿过掩模。这在图736所示ADG774和ADG5A USB高速眼图的比较中可以看出。ADG736的带宽为200 MHz。ADG774A的电容要低得多，带宽为400 MHz。USB 全速需要大于 3 MHz （6 Mbps） 的 –12 dB 开关带宽，高速 USB 需要 240 MHz （480 Mbps）。布局工程师需要确保开关布局非常接近的相似性，以保持电容对称性。

传播延迟

闭合状态下的CMOS开关本身会给通过它的数字信号增加可以忽略不计的延迟。该开关在路径中不引入缓冲器，可以建模为串联电阻。开关增加的唯一实际延迟是信号到达芯片并再次输出所花费的时间。此值可以以皮秒为单位进行测量。

用品

对于低速和全速USB，信号幅度为3.3 V ±10%。因此，3.6 V是允许的最小电源电压。高速信号的幅度为 400 mV ± 10%，可通过 3.3V 电源上的开关轻松通过。CMOS 开关可以使用 USB 电缆的 5V 电源线供电。当传递全速信号（3 V，12 Mbps）时，需要完整的信号范围。

开关保护

USB 规范规定，USB 设备的数据线必须能够承受短路至 5V 电源线 24 小时。这对使用3.3 V（0.35μm几何形状）开关以获得所需的R具有重要意义。上和电容。它还对使用3.3V电源的手机等便携式设备产生影响。

图10显示了一个0.35 μm开关，由3.3 V稳压器在USB收发器的输入端供电。为简单起见，显示一个通道。这是在USB应用中使用0.35μm几何开关的典型电路。

图 10.在正常的USB情况下切换，没有压力。

图11介绍了从5 V电源到数据线的短路（红色）。如果设备插入故障端口，则可能会发生这种情况。

图 11.正向偏置开关的正电源。

短路将ESD（静电放电保护）二极管正向偏置到VDD，这意味着500 mA可以连续流过ESD二极管，这种情况可能对CMOS开关造成很大损害，CMOS开关不太可能持续超过24小时。这是实现 0.35 μm 部件的限制。在需要满足此USB条件并使用3 V开关的系统中，设计人员需要提供足够的保护以防止这种故障机制。最简单的方法是使用电阻来限制电流。但是，最常见的解决方案是使用由 5V 电源供电的开关来完全避免这种情况。

消费类应用

在展示了USB应用中使用开关的基本方式之后，我们现在调查了一些特定的应用领域，并讨论它们使用开关的方式。需要注意的是，其中许多具有通用拓扑。

便携式媒体播放器 （PMP）

PMP正迅速成为整个亚洲的必备工具;据预测，它们将很快取代MP3市场。PMP 可以直接从电视、VCR、DVD 播放器、有线电视盒或卫星接收器录制，并且可以存储长达 120 小时的视频、300，000 张照片、16，500 首歌曲或 30 GB 的数据。可以存储此数量数据的便携式设备必须具有快速、易于使用的界面。选择的接口，通常是 USB 高速，是可以与 USB 相机、USB 读卡器或 USB 硬盘驱动器一起使用的接口。

消费者对此类产品的需求也决定了纤薄的便携式设备，因此甚至无法考虑传统笨重的耳机连接器。相反，耳机连接器被迷你USB连接器取代，该连接器由USB数据流和音频输出共享。

如图12所示，通常需要一个开关将USB信号与模拟音频输出隔离开来。在数据模式下，通过将音频信号与连接器 D 和 D+ 引脚隔离，从而最大限度地减少反射。快速信号逻辑状态转换期间的反射可能会导致更高的误码率，并违反 USB 高速连接的 500 ppm 精度要求。

对于此类应用，具有宽带宽和良好导通电阻匹配的开关有助于最大限度地减少USB信号边缘失真，而在音频模式（输出连接到耳机）下，低导通电阻（约2.5欧姆）和低总谐波失真（约0.1%）对于最小化音频失真至关重要。

图 12.在音频和 USB 之间共享迷你 USB 连接器。

手机/手机

随着手机获得更多功能，设计人员面临的挑战也随之增加。许多当前可用的手机都有电缆连接以链接到PC。这些连接用于传输数据，例如电子邮件、日历、电话簿、闹钟、语音备忘录和计算器。如果手机具有集成摄像头，则下载图片的功能也是一个有吸引力的功能。

因此，手机可能具有许多功能，需要USB兼容的开关。最常见的要求之一是在不同的数据标准之间切换，例如，在UART和USB之间切换。手机制造商希望保留为客户提供数据传输标准选择的能力，但他们负担不起为每个接口提供单独连接器所需的面积。最简单的解决方案是在公共连接器上多路复用多个引脚。图 13 显示了一个示例。

图 13.使用ADG787上的开关在UART和USB之间切换。

高端手机设计中LCD面板显示器和摄像头分辨率的提高产生了对更大存储设备的需求，例如嵌入式硬盘驱动器或外部小型存储卡。大多数手机使用带有USB接口的独立硬盘驱动器控制器与PC主机进行通信。当基带处理器的全速I/O端口也用于同步地址簿或其他数据时，共享单个USB端口成为一个挑战。通过多路复用手机的USB连接简化了设计，如图14所示。

图 14.多路复用听筒的 USB 端口。

对于上述手机中的两种功能，设计人员需要考虑的规格是：

它是否满足所选USB标准的带宽要求？

导通电阻匹配和/或匹配传播延迟

低导通电阻平坦度/最小的附加抖动

功率和封装尺寸。

手机的另一个功能是端口/总线隔离。此功能不仅限于手机，还用于其他便携式设计，如数码相机 （DSC）、PMP 和笔式驱动器。

开关通常用于保护可能受到外部噪声干扰的内部ASIC。更重要的是：对于具有USB OTG接口的高端便携式设计，USB PHY（USB物理层收发器）与外部世界之间的隔离可以进一步降低在双角色设备（例如两部手机）之间触发错误会话请求协议（SRP）脉冲的潜在风险。此应用中开关的选择规格是关断隔离，当开关打开且未使用 USB 端口时需要（图 15）。另一方面，当USB总线被激活时，需要宽开关带宽以实现最小的确定性抖动。ADI公司的许多开关都适合此应用;本文末尾的表格是有用信息的紧凑来源。

图 15.用于隔离 USB 的双单刀单掷开关。

无线笔式驱动器和无线适配器

USB 闪存驱动器（笔式驱动器）因其移动性、无线功能和可扩展的内存大小而成为办公室和家庭应用中数据共享的宝贵工具。另一个流行的设备是 USB 无线适配器;例如，只需将其插入PC，即可无线连接到互联网，而无需迅驰™芯片。具有内存存储容量的无线 USB 适配器为商务旅客提供了一种在无线互联网功能与存储和检索功能之间切换的便捷方式。

大多数存储设备（如硬盘驱动器或紧凑型闪存控制器）都具有高速USB接口，这些接口未集成到无线LAN PHY中。USB 兼容开关通过在闪存存储和无线功能之间切换，可以轻松解决这一设计挑战（图 16）。低功耗是可取的，因为无线USB适配器消耗的大部分功率来自主机应用程序的总线。小型和薄型封装对于笔式驱动器内可用的PCB空间非常有限的此类应用至关重要。

图 16.使用ADG787在USB无线适配器中进行存储器/无线切换。

个人电脑

PC 是大多数 USB 系统的集线器。在除USB OTG系统外的所有系统中，PC充当系统的主机。许多传统的 USB 1.1 外围设备，如手机、数码相机、调制解调器、键盘、鼠标、一些 CD-ROM 驱动器、磁带和软盘驱动器、数字扫描仪和专业打印机，都与 PC 互连。USB 2.0 Hi Speed 现在可容纳全新一代外设，包括基于 MPEG-2 视频的产品、数据手套和数字化仪。USB已成为大多数PC芯片组以及操作系统和其他系统软件的内置功能，而不会显着影响PC价格。通过消除附加卡和单独的电源，USB 可以帮助使 PC 外围设备比其他设备更实惠。此外，USB的热插拔功能允许用户轻松连接和拆卸外围设备。

与手机一样，CMOS开关可用于在内部扩展USB总线。开关的另一个功能是外设多路复用。图 17 显示了多台 PC 共享的打印机。

图 17.使用

ADG709

将多台PC连接到打印机。

电路板布局注意事项

信号路由是 USB 系统性能的关键。本节详细介绍了推荐的 USB PCB 信号路由。这些评论基于USB-IF选择的系统，以便电路板和电缆设计人员可以设计出影响最小的电路板。

审核编辑：郭婷