TUSB216I：USB 2.0 高速信号调节器的卓越之选

在当今数字化时代，USB 接口已成为电子设备中不可或缺的一部分。为了确保 USB 高速信号的稳定传输，德州仪器（TI）推出了 TUSB216I 这款具有 BC 1.2 控制器的 USB 2.0 高速信号调节器。本文将深入介绍 TUSB216I 的特性、应用、设计要点等内容，希望能为电子工程师们在设计中提供有价值的参考。

文件下载：tusb216i.pdf

一、TUSB216I 特性概览

1.1 信号调节能力强

TUSB216I 是第三代 USB 2.0 高速信号调节器，其核心功能是补偿传输通道中的交流损失（由于电容性负载）和直流损失（由于电阻性负载）。它采用了专利设计，通过边缘加速器加速 USB 2.0 高速信号的传输边缘，同时利用直流升压功能提高静态电平。此外，预均衡功能可有效提高接收器的灵敏度，补偿较长线缆应用中的码间串扰（ISI）抖动。而且，USB 低速和全速信号特征不受其影响，这为不同速率的 USB 信号传输提供了可靠保障。

1.2 电源与兼容性优势

该器件具有宽电源电压范围，为 2.3V 至 6.5V，能适应多种电源环境。同时，超低的 USB 断开和关断功耗，有助于降低系统整体能耗。它与 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 协议兼容，支持低速、全速和高速信号传输，具有很强的通用性。

1.3 功能可配置性

TUSB216I 提供了丰富的可配置选项。通过外部下拉电阻器值可实现四种可选的信号增强（边沿升压与直流升压）设置，还能通过上拉或下拉实现三种可选的 RX 灵敏度设置，以补偿高损耗应用中的 ISI 抖动。这种可配置性使得工程师能够根据具体应用场景进行灵活调整，优化信号传输质量。

1.4 长距离传输支持

它支持长达 5m 的电缆，在使用长达 5 米的线缆时，可帮助系统通过 USB 2.0 高速近端眼图合规性测试。并且，支持长达 10m 的电缆和两台 TUSB216I 器件的可扩展解决方案，器件可通过菊花链连接用于高损耗应用，大大拓展了其应用范围。

1.5 引脚兼容性良好

TUSB216I 与 TUSB211A、212、214 和 217A 引脚兼容（3.3V），这为工程师在设计升级或替换时提供了便利，降低了设计成本和风险。

二、TUSB216I 应用领域

TUSB216I 的广泛特性使其适用于众多领域，包括但不限于笔记本电脑、台式机或扩展坞、便携式电子产品、平板电脑、手机、电视等设备，以及有源电缆、电缆扩展器、背板等应用场景。在这些应用中，TUSB216I 能够有效解决 USB 高速信号传输中的损耗问题，确保数据的稳定传输。

三、器件对比分析

与同类型的 TUSB211A、TUSB212、TUSB214 和 TUSB217A 相比，TUSB216I 在多个方面具有独特优势。例如，在电源范围上，TUSB216I 为 2.3V 至 6.5V，而 TUSB212 和 TUSB214 仅为 3.3V，更宽的电源范围使得 TUSB216I 能适应更多的电源环境。在 RX 预均衡方面，TUSB216I 具有 3 个级别，而 TUSB211A、TUSB212 和 TUSB214 则不具备该功能，这使得 TUSB216I 在补偿 ISI 方面表现更出色。在充电端口控制器方面，TUSB216I 的 CDP 控制器可通过引脚控制，具有更高的灵活性。

四、引脚配置与功能

4.1 主要引脚功能

• BOOST 引脚（6 号）：用于通过外部下拉电阻选择 USB 高速升压。在非 I2C 模式下，边沿升压和直流升压由单个引脚控制；在 I2C 模式下，可分别控制。上电时采样，不识别实时调整，浮空时自动选择 BOOST LEVEL = 3。
• CDP_ENZ 引脚（11 号）：低电平可启用 BC 1.2 CDP 电池充电控制器，内部有 500kΩ 上拉电阻。
• RX_SEN 3ENA_HS 引脚（9 号）：在 I2C 模式下，保留用于 TI 测试；在非 I2C 模式下，复位时为 3 级输入信号 RX_SEN，用于设置 USB 高速 RX 灵敏度以补偿 ISI 抖动；复位后为输出信号 ENA_HS，指示通道处于高速模式。
• D2P（7 号）和 D2M（8 号）引脚：分别为 USB 高速正、负端口。
• GND 引脚（10 号）：接地引脚。
• D1M（1 号）和 D1P（2 号）引脚：同样为 USB 高速正、负端口。
• SDA（3 号）引脚：在 I2C 模式下为双向 I2C 数据引脚，7 位 I2C 从地址为 0x2C；在非 I2C 模式下，保留用于 TI 测试。
• VCC 引脚（12 号）：供电引脚。
• RSTN 引脚（5 号）：用于设备禁用/启用，低电平设备处于复位和关机状态，高电平为正常运行。建议连接 0.1μF 外部电容到地，以确保复位时电源干净。
• SCL（4 号）引脚：在 I2C 模式下为 I2C 时钟引脚，I2C 地址为 0x2C；在非 I2C 模式下，复位后为输出 CD，指示 USB 设备是否连接。

4.2 引脚使用注意事项

工程师在使用这些引脚时，需要注意不同引脚的电平要求、上拉/下拉电阻的配置以及引脚的功能切换条件等。例如，在使用 I2C 模式时，SDA 和 SCL 引脚的上拉电阻需要根据 I2C 总线电压进行合理配置；在设置 BOOST 和 RX_SEN 引脚时，要根据具体的应用场景和信号要求进行选择。

五、规格参数详解

5.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。TUSB216I 的绝对最大额定值包括：

• 电源电压范围（VCC）为 -0.3V 至 7V。
• USB 数据电压范围（DxP、DxM）为 -0.3V 至 5.5V。
• BOOST 引脚电压范围为 -0.3V 至 1.98V。
• 其他引脚（RX_SEN、CDP_ENZ、SDA、SCL、RSTN）电压范围为 -0.3V 至 5.5V。
• 存储温度范围为 -65℃ 至 150℃。
• 最大结温（TJ (max)）为 125℃。

需要注意的是，超出这些绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏，在设计时必须严格遵守。

5.2 ESD 评级

TUSB216I 的静电放电（ESD）评级为：人体模型（HBM）±2000V，带电设备模型（CDM）±750V。这表明该器件在一定程度上能够抵抗静电干扰，但在实际应用中，仍然需要采取适当的 ESD 防护措施，以确保器件的可靠性。

5.3 推荐工作条件

推荐工作条件是保证器件性能稳定的关键。TUSB216I 的推荐工作条件包括：

• 电源电压（Vcc）为 2.3V 至 6.5V，典型值为 5V。
• 工业级工作环境温度（TA）为 -40℃ 至 85℃。
• 结温（TJ）最大为 105℃。
• I2C 总线电压（VI2C_BUS）为 1.62V 至 3.6V。
• USB 数据电压范围（DxP、DxM）为 0V 至 3.6V。
• BOOST 引脚电压范围为 0V 至 1.98V。
• 其他数字引脚（SCL、SDA、RSTN、CDP_ENZ）电压范围为 0V 至 3.6V。
• RX_SEN 引脚电压范围为 0V 至 5.0V。

5.4 热信息

热信息对于评估器件在不同散热条件下的性能非常重要。TUSB216I 的热信息包括：

• 结到环境的热阻（RO JA）为 137.4℃/W。
• 结到外壳（顶部）的热阻（Ra JC(tcp)）为 62℃/W。
• 结到电路板的热阻（R JB）为 67.2℃/W。
• 结到顶部的表征参数（JT）为 1.9℃/W。
• 结到电路板的表征参数（JB）为 67.3℃/W。

通过这些热信息，工程师可以合理设计散热方案，确保器件在正常工作温度范围内运行。

5.5 电气特性

文件中详细给出了 TUSB216I 在不同测试条件下的电气特性参数，如高电平输出电压（VoH）、低电平输出电压（VoL）、I2C 总线电容（C12c_BUS）、I2C 开漏输出电流（loL）等。这些参数是工程师进行电路设计和性能评估的重要依据，在实际应用中需要根据具体的设计要求进行参考和调整。

5.6 开关特性

开关特性主要涉及 USB 信号的比特率（FBR_DXX）和上升/下降时间（tR/F_DXX）。TUSB216I 在 USB 高速模式下，比特率为 480Mbps，上升/下降时间最小为 100ps。这些特性对于保证 USB 信号的高速、准确传输至关重要。

5.7 时序要求

时序要求包括上电时序和 I2C 通信时序。例如，上电时，RSTN 信号有效低电平的最小宽度为 100μs，VCC 必须在 RSTN 释放前稳定 300μs，设备在 RSTN 释放后最大准备时间为 500μs。I2C 通信在标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz）下也有相应的时序要求，如停止建立时间（tsuSTO）、开始保持时间（tHDSTA）等。工程师在设计时必须严格遵守这些时序要求，以确保器件正常工作。

六、详细功能描述

6.1 概述

TUSB216I 主要用于补偿 USB 高速传输通道中的 ISI 信号损失。它采用专利设计，对 USB 低速和全速信号特性无影响，仅对高速信号进行补偿。其与 USB On-The-Go（OTG）和电池充电（BC）规范兼容，通过外部电阻可实现可编程信号增益，还可通过外部上拉和下拉电阻调整 RX 灵敏度，以克服电缆中的衰减。此外，最多可将 4 个器件进行菊花链连接，适用于长距离或高损耗传输路径。

6.2 功能框图

文档中给出了 TUSB216I 的功能框图，它展示了器件内部各个模块之间的连接和交互关系。通过功能框图，工程师可以更好地理解器件的工作原理，为电路设计和故障排查提供帮助。

6.3 特性描述

6.3.1 高速升压

高速升压功能是 TUSB216I 的重要特性之一，它由边缘升压和直流升压组合而成，可改善 USB2.0 高速信号的眼图宽度，且与方向无关，适用于 OTG 系统。通过 BOOST 引脚和不同阻值的下拉电阻可配置 4 个级别的升压，也可通过 I2C 寄存器进行设置。同时，信号调节器的内部电路可减少可能的过冲。

6.3.2 RX 灵敏度

RX_SEN 引脚为三电平引脚，用于根据系统通道损耗设置器件的增益。增加 RX 灵敏度可恢复垂直眼图开口较小的输入信号，增强弱信号，克服高衰减。

6.4 设备功能模式

6.4.1 低速（LS）模式

TUSB216I 能自动检测到 LS 连接，此时不启用信号补偿，CD 引脚置高，ENA_HS 引脚置低。

6.4.2 全速（FS）模式

同理，在检测到 FS 连接时，也不启用信号补偿，CD 引脚置高，ENA_HS 引脚置低。

6.4.3 高速（HS）模式

当检测到 HS 连接时，TUSB216I 会根据 RX_SEN 引脚的配置和 BOOST 引脚的外部下拉电阻启用信号补偿。此时 CD 引脚和 ENA_HS 引脚均置高。

6.4.4 高速下游端口电气合规测试模式

TUSB216I 可检测到 HS 合规测试夹具并进入下游端口高速眼图测试模式。在此模式下，CD 引脚置低，ENA_HS 引脚置高。若在 HS 功能模式下，RSTN 引脚先置低再置高，器件将转换到 HS 眼图合规测试模式，同时启用信号补偿。

6.4.5 关机模式

当 RSTN 引脚置低时，TUSB216I 进入关机模式。在关机模式下，DP、DM 走线通过器件保持连续，USB 通道仍可正常工作，但无信号补偿，CD 引脚也不显示通道状态。

6.4.6 I2C 模式

TUSB216I 支持 100 和 400kHz 的 I2C 通信，用于设备配置、状态读取和测试。在该模式下，SCL 和 SDA 引脚采样为高时启用控制器，可通过 I2C 读写事务访问 7 位从地址 0x2C 的 CSR 寄存器。建议在更改值之前设置 CFG_ACTIVE 位，以确保正确启动到高速模式。

6.4.7 BC 1.2 电池充电控制器

TUSB216I 除了作为信号调节器外，还具备 BC 1.2 电池充电控制器功能。当 CDP_ENZ 引脚置低且 BC 1.2 CDP 控制器启用时，可在 USB 主机或集线器不提供充电控制功能的应用中发挥作用，支持 CDP 充电下游端口功能。若 CDP_ENZ 引脚浮空，由于内部上拉电阻，CDP 控制器将被禁用。

6.5 TUSB216 寄存器

TUSB216I 有多个寄存器，如 EDGE_BOOST 寄存器（偏移量 = 0x1）用于设置边缘升压级别，CONFIGURATION 寄存器（偏移量 = 0x3）用于选择设备模式，DC_BOOST 寄存器（偏移量 = 0xE）用于设置直流升压级别，RX_SEN 寄存器（偏移量 = 0x25）用于设置 RX 灵敏度级别。这些寄存器的设置对于优化器件的性能至关重要，工程师需要根据具体的应用需求进行合理配置。

七、应用与实现

7.1 应用信息

TUSB216I 的主要目的是恢复 USB 高速通道到 USB 连接器的信号完整性。由于高损耗 PCB 走线和其他容性负载组件会降低通道带宽，导致信号质量下降，可能使通道无法通过 USB 近端眼图测试。合理使用 TUSB216I 可帮助系统通过该测试。此外，还可利用其 CD 引脚控制客户平台上的其他模块。

7.2 典型应用

文档给出了 TUSB216I 的典型应用原理图，其中 D2P 和 D2M 面向 USB 连接器，D1P 和 D1M 面向 USB 主机，方向也可相反。在设计时，需要根据具体的应用场景和要求进行合理布局。

7.2.1 设计要求

• 电源与复位：TUSB216I 需要有效的复位信号。若微控制器按推荐驱动 RSTN 引脚，则 RSTN 引脚处的电容不是必需的。
• 参数设置：根据不同的电源电压和系统损耗情况，文档给出了相应的设计参数表。例如，对于 5V 高损耗系统、3.3V 低至中等损耗系统以及 2.3V 至 4.3V VBAT 低至中等损耗系统，分别列出了电源电压、I2C 支持要求、边缘和直流升压设置、RX 灵敏度设置等参数。需要注意的是，这些参数仅为起始值，可能需要根据具体的主机或设备、电缆长度和损耗情况进行进一步调整。

7.2.2 详细设计步骤

• BOOST 和 RX 灵敏度设置：理想的 BOOST 设置取决于目标平台的信号链损耗特性，建议从 BOOST 级别 0 开始，逐步