TUSB214-Q1 USB 2.0高速信号调节器：设计与应用全解析

在电子设计领域，USB高速信号的传输质量至关重要。TUSB214-Q1作为一款专业的USB高速（HS）信号调节器，在补偿传输通道中的ISI信号损失方面表现出色。本文将深入探讨TUSB214-Q1的特性、应用、设计要点以及相关注意事项，为电子工程师们提供全面的参考。

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一、TUSB214-Q1特性概述

1.1 基本特性要求

• 温度与ESD等级：器件温度等级为2级，环境工作温度范围在 -40°C至105°C，HBM分类等级为H1C，CDM分类等级为C3，能够适应较为复杂的工作环境。
• 兼容性：与USB 2.0、OTG 2.0和BC 1.2兼容，具备广泛的适用性。
• 配置方式：引脚搭接或可通过I2C进行配置，为设计提供了灵活性。

1.2 功能特性

• 信号传输支持：支持LS、FS和HS信号传输，且在高损耗应用中可通过菊花链设备实现可选信号增益。
• 低功耗设计：具有超低USB断开和关断功耗，有助于降低系统整体功耗。
• 信号完整性优化：D1P/M和D2P/M可互换且主机/设备不可知，支持长达5米的通道前或2米的通道后电缆长度，通过外部下拉电阻器实现四种可选交流升压设置，以及直流升压与交流升压，可实现最佳信号完整性。

二、应用领域广泛

TUSB214-Q1的应用场景十分丰富，涵盖了汽车信息娱乐系统、笔记本电脑、台式机、扩展坞、平板电脑、手机、有源电缆、电缆扩展器、背板电视等多个领域。其主要作用是恢复USB高速通道直至USB插座的信号完整性，解决因高损耗PCB走线和其他电容性负载导致的信号质量下降问题，帮助通道通过USB近端眼图掩码测试。

三、详细技术解析

3.1 工作原理

TUSB214-Q1采用了对USB低速（LS）和全速（FS）信号无感知的设计，该设计正在申请专利。LS和FS信号特征不受其影响，但会对HS信号进行补偿。借助可编程信号交流升压和直流升压，可精调器件性能，优化连接器上的高速信号，有助于通过USB高速电气合规性测试。

3.2 功能模块

• EQ引脚：用于配置设备的AC升压，通过不同的外部下拉电阻值可设置四个级别。

• DC_BOOST引脚：是一个三电平引脚，用于根据不同的电压设置设备的DC增益，具体设置如下表所示：	DC_BOOST	DC Boost Setting (mV)
  VIL	40
  VIM	60
  VIH	80

3.3 设备功能模式

• 低速（LS）和全速（FS）模式：TUSB214-Q1自动检测到LS或FS连接时，不启用信号补偿，CD引脚置高。
• 高速（HS）模式：自动检测到HS连接时，根据DC_BOOST引脚的配置和EQ引脚的外部下拉电阻确定是否启用信号补偿，CD引脚置高。
• 关机模式：当RSTN引脚置低时，TUSB214-Q1禁用，USB通道仍可正常工作，但无信号补偿，CD引脚无通道状态指示。
• I2C模式：支持100 kHz I2C用于设备配置、状态回读和测试。在RSTN引脚释放后，SCL和SDA引脚采样为高时启用该模式，可通过I2C读写事务访问特定寄存器。

四、设计与应用要点

4.1 设计要求

在典型应用中，需要考虑以下设计参数：

• 电源电压：VCC范围为3.0V至3.6V，建议使用3.3V。
• IC支持：系统中是否需要IC支持，根据实际情况选择。
• AC和DC升压设置：根据信号链损耗特性选择合适的AC和DC升压级别，可通过外部电阻进行配置。

4.2 详细设计流程

• 复位信号：TUSB214-Q1需要有效的复位信号，若微控制器无法在电源斜坡稳定前将RSTN引脚置低，则需在RSTN引脚与GND之间连接外部电容。
• 电容配置：VREG引脚是内部LDO输出，需要连接0.1μF外部电容至GND以稳定核心。
• 升压设置调整：理想的AC/DC升压设置取决于目标平台的信号链损耗特性，建议从AC升压级别0开始，根据需要逐步增加。更改AC或DC升压设置后，需切换RSTN引脚以使设备识别更改。
• 引脚连接：D1P需短接至D2P，D1M短接至D2M，以确保设备正常工作。
• 设备放置：根据应用目标选择合适的设备放置位置，如通过USB近端掩码测试时应靠近测量点，通过USB远端眼图掩码测试时应靠近USB PHY，级联多个TUSB214-Q1以改善设备枚举时应位于每个USB互连的中间位置。

4.3 测试流程

在构建USB高速眼图时，需遵循以下测试流程：

• 主机端应用：配置TUSB214-Q1的AC和DC升压设置，上电或切换RSTN引脚，使用SMA电缆连接示波器和USB-IF主机端测试夹具，使主机发送USB TEST_PACKET，执行示波器USB合规软件，可重复测试不同升压设置。
• 设备端应用：配置TUSB214-Q1的AC和DC升压设置，上电或切换RSTN引脚，连接USB主机、USB-IF设备端测试夹具和USB设备，确保测试夹具配置为‘INIT’位置，让主机枚举设备，使设备发送USB TEST_PACKET，使用SMA电缆连接示波器和测试夹具并将测试夹具配置为‘TEST’位置，执行示波器USB合规软件，可重复测试不同升压设置。

五、电源与布局建议

5.1 电源供应

上电时，RSTN引脚与电源斜坡的相互作用可能导致数字电路设置不正确。为确保数字电路正确上电复位，应在电源斜坡稳定至3V或更高后再启用设备。若无法在电源斜坡稳定前将RSTN引脚置低，则需在RSTN引脚与GND之间连接外部电容，其RC时间常数应大于电源斜坡时间（0至VCC）的五倍。

5.2 布局准则

• 信号连续性：放置TUSB214-Q1时，USB信号走线不能中断，即使设备断电或未安装，USB链路仍可正常工作。
• 高速走线：建议将高速走线直接布置在TUSB214-Q1封装下方，以避免信号过孔。
• 阻抗控制：尽管焊盘图案的走线宽度与焊盘宽度匹配，但最佳阻抗控制仍需根据用户的PCB叠层来确定，建议在设备下方保持90Ω差分走线。

六、器件与文档支持

6.1 文档获取

要接收文档更新通知，可转至TI.com上的器件产品文件夹，单击右上角的“通知我”进行注册，即可每周接收产品信息更改摘要。有关更改的详细信息，可查看任何已修订文档中包含的修订历史记录。

6.2 社区资源

TI E2E™在线社区为工程师们提供了一个交流协作的平台，可在e2e.ti.com中咨询问题、分享知识、拓展思路并与同行工程师一道解决问题。此外，TI参考设计支持可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。

6.3 静电放电警告

ESD可能会损坏该集成电路，建议通过适当的预防措施处理所有集成电路。不遵守正确的处理措施和安装程序可能会导致集成电路损坏，从微小的性能降级到整个器件故障不等。

七、总结

TUSB214-Q1作为一款功能强大的USB高速信号调节器，在信号补偿、兼容性、低功耗等方面具有显著优势。电子工程师们在设计过程中，需充分考虑其特性和应用要求，合理进行设计和布局，以确保系统的稳定性和信号完整性。同时，要关注文档更新和社区资源，及时获取最新信息和技术支持。希望本文能为工程师们在使用TUSB214-Q1时提供有价值的参考，你在实际应用中是否遇到过类似器件的使用难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。