探索TS5USBC41：带过压保护的USB 2.0模拟开关

在电子设备设计中，USB接口的应用极为广泛，而确保其信号传输的稳定性和设备的安全性至关重要。今天我们就来深入了解一款具有20V/24V过压保护功能的TS5USBC41双路2:1 USB 2.0多路复用器/多路信号分离器或单端交叉开关。

文件下载：ts5usbc41.pdf

特性亮点

电气性能优越

• 宽电源电压范围：电源电压范围为2.3V至5.5V，能适应多种供电环境，为不同的应用场景提供了更多的可能性。
• 低导通电阻和电容：较低的 (R{ON})（最大值为9Ω），这有助于减少信号传输过程中的损耗。典型带宽为1.1GHz（TS5USBC410）和1.2GHz（TS5USBC412），能满足高速信号传输的需求。(C{ON}) 典型值为2.7pF（TS5USBC410）和2.5pF（TS5USBC412），较小的电容值可以降低信号的延迟和失真。
• 低功耗设计：具有低功耗禁用模式，在不工作时可以降低功耗，提高设备的能效。

保护功能强大

• 过压保护：在公共引脚上提供0V至20V（TS5USBC410）和24V（TS5USBC412）过压保护（OVP）功能，当出现过压情况时，能通过自动关闭电路来保护开关后面的系统组件，有效防止因电压异常而损坏设备。
• 断电保护：当 (V_{CC}=0V) 时具有断电保护，I/Os的器件保持高阻态，防止错误电压影响系统其他部分，在系统上电时也能保持隔离。
• ESD保护：ESD保护性能超出JESD 22标准，达到2000V人体放电模型（HBM），能有效抵御静电对器件的损害，提高设备的可靠性。

逻辑兼容性好

1.8V兼容型逻辑输入，方便与其他低电压逻辑电路进行接口，增强了器件的通用性和可扩展性。

温度范围广

TS5USBC410和TS5USBC412具有0°C至70°C的标准温度范围，TS5USBC410I和TS5USBC412I则具有 -40°C至85°C的工业温度范围，能适应不同的工作环境。

封装小巧

采用小型DSBGA封装，体积小，适合移动应用和空间受限型应用，为设计人员在布局上提供了更多的灵活性。

应用场景

TS5USBC41的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：

• 移动设备：如智能手机、平板电脑等，这些设备对空间和功耗要求较高，TS5USBC41的小巧封装和低功耗特性正好满足需求。
• 台式机/笔记本电脑：在电脑的USB接口中，TS5USBC41可以提供过压保护，确保设备的安全稳定运行。
• 使用USB Type - C或Micro - B连接器的任何场合：能有效解决USB接口可能出现的过压问题，保护系统组件。

详细说明

功能概述

TS5USBC41是一款双向低功耗双端口高速USB 2.0模拟开关，具有针对USB Type - C系统的集成保护功能。该器件可配置为一个2:1或1:2开关，经过优化，可用于USB Type - C系统中的USB 2.0 D + / - 线路。

功能框图

从功能框图可以看出，TS5USBC41主要由控制逻辑、OVP保护电路和开关组成。控制逻辑通过SEL1和SEL2信号来控制开关的切换，OVP保护电路实时监测D + / - 引脚的电压，当出现过压情况时，及时关闭开关，保护系统安全。

特性描述

• 断电保护：当TS5USBC41断电时，其I/Os保持高阻态，串扰、隔离和泄漏仍在电气规格范围内，可防止错误电压影响系统其他部分，在系统上电时也能保持隔离。
• 过压保护：该功能旨在保护系统免受USB和USB Type - C连接器处D + / - 与VBUS短路的影响。当出现短路时，TS5USBC41会打开开关，阻止20V / 24V电压到达系统其他部分，如波形图所示，能有效保护系统组件。

器件功能模式

通过SEL1和SEL2信号的不同组合，可以实现不同的开关切换功能，具体的功能表可以参考文档中的相关内容。

应用与实现

应用信息

TS5USBC41可以有效扩展有限的USB I/Os，通过在多个USB总线之间切换，将它们连接到单个USB集线器或控制器，或者将信号从一个连接器路由到两个不同的位置。同时，利用SEL1和SEL2独立控制两个开关，还可以用于交叉切换单端信号。

典型应用

在典型应用中，TS5USBC41用作USB/UART开关，用于在USB路径（连接到基带或应用处理器）和UART路径（连接到调试端口）之间切换信号。器件内部在SEL1、SEL2和OE上有6 - MΩ下拉电阻，默认选择D1 + /D1 - 通道，上电时OE下拉电阻使能开关。

设计要求与步骤

• 设计要求：设计时需遵循USB 1.0、1.1和2.0标准，由于器件内部已有下拉电阻，逻辑引脚无需外部电阻。
• 详细设计步骤：TS5USBC41无需外部组件即可正常工作，但建议将未使用的引脚通过50 - Ω电阻接地，以防止信号反射。同时，在VCC引脚附近放置一个100 - nF旁路电容，有助于平滑电源噪声。

电源与布局建议

电源建议

为器件供电时，应通过VCC引脚供电，并遵循USB 1.0、1.1和2.0标准。建议在VCC引脚附近放置一个100 nF旁路电容，以平滑低频噪声，提供更好的负载调节。

布局指南

• 电容放置：将电源旁路电容尽可能靠近VCC引脚，避免将旁路电容放置在D± 走线附近。
• 走线匹配：高速D± 走线必须匹配，长度不超过4英寸，以保证眼图性能。同时，走线的阻抗要与电缆的差分特性阻抗匹配。
• 减少反射：尽量减少高速USB信号走线的过孔和拐角，减少信号反射和阻抗变化。当必须使用过孔时，增大其周围的间隙尺寸，以最小化电容。
• 避免干扰：不要在晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关稳压器、安装孔、磁性设备或使用时钟信号的IC下方或附近布线USB走线。
• 避免Stub：避免在高速USB信号上出现Stub，若无法避免，Stub长度应小于200 mm。
• 接地平面：所有高速USB信号走线应在连续的GND平面上布线，避免跨越分割平面。
• 多层板建议：由于USB信号频率较高，建议使用至少四层的印刷电路板，两层信号层由接地层和电源层分隔。

器件与文档支持

文档支持

可以参考《USB 2.0电路板设计和布局指南》《高速布局指南》应用报告《高速接口布局指南》等相关文档，获取更多的设计指导。

社区资源

TI E2E™在线社区是一个很好的交流平台，工程师可以在这里咨询问题、分享知识、拓展思路并与同行一道解决问题。同时，TI参考设计支持可以帮助快速查找有帮助的E2E论坛、设计支持工具以及技术支持的联系信息。

静电放电警告

ESD可能会损坏该集成电路，在处理和安装时，应采取适当的预防措施，避免因静电放电导致器件损坏。

TS5USBC41凭借其优越的性能和强大的保护功能，为USB接口的设计提供了一个可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择器件，并遵循相应的设计和布局建议，以确保设备的稳定性和安全性。你在使用类似器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。