TUSB215：USB 2.0 高速信号调节器的卓越之选

在当今数字化飞速发展的时代，USB 接口作为数据传输和设备连接的重要桥梁，被广泛应用于各种电子设备中。然而，随着传输距离的增加和信号的衰减，信号质量往往会受到影响，从而影响设备的性能和稳定性。为了解决这一问题，德州仪器（TI）推出了 TUSB215 USB 2.0 高速信号调节器，为 USB 高速信号的传输提供了可靠的解决方案。

文件下载：tusb215.pdf

产品概述

TUSB215 是一款专为补偿传输通道中的 ISI 信号损失而设计的 USB 高速（HS）信号调节器。它能够有效帮助设备通过 USB 电气合规性测试，确保信号的完整性和稳定性。该器件具有多项出色的特性，使其在众多同类产品中脱颖而出。

特性亮点

1. 兼容性强：与 USB 2.0、OTG 2.0 和 BC 1.2 兼容，引脚搭接或可通过 I2C 进行配置，具有广泛的适用性。
2. 充电功能：集成 USB BC1.2 充电下行端口（CDP）控制器，可实现充电功能，满足不同应用场景的需求。
3. 信号传输支持：支持 LS、FS 和 HS 信号传输，且对 USB 低速（LS）和全速（FS）信号无感知，不影响其信号特征，仅对 HS 信号进行补偿。
4. 低功耗设计：具备超低 USB 断开和关断功耗，有助于降低设备的整体功耗，延长电池续航时间。
5. 可扩展性：提供可扩展解决方案，可用于高损耗应用的菊花链器件，满足不同系统的需求。
6. 端口互换性：D1P/M 和 D2P/M 可互换且主机/设备不可知，增加了设计的灵活性。
7. 电缆长度支持：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，结合直流升压与交流升压，可实现最佳信号完整性。

应用领域

TUSB215 的应用领域十分广泛，涵盖了笔记本电脑、台式机、扩展坞、平板电脑、手机、有源电缆、电缆扩展器、背板以及电视等众多设备。在这些设备中，TUSB215 能够有效提升 USB 高速信号的传输质量，确保设备的稳定运行。

技术规格

绝对最大额定值

• 电源电压范围（VCC）：-0.3V 至 6V
• I/O 引脚电压范围：-0.3V 至 3.8V
• 存储温度（Tstg）：-65℃ 至 150℃

ESD 评级

• 人体模型（HBM）：+2000V
• 带电设备模型（CDM）：+500V

推荐工作条件

• 电源电压（Vcc）：4.4V 至 5.5V
• 环境温度（TA）：TUSB215 为 0℃ 至 70℃，TUSB215I 为 -40℃ 至 85℃
• 结温（TJ）：TUSB215 为 0℃ 至 85℃，TUSB215I 为 -40℃ 至 105℃

电气特性

TUSB215 在不同工作模式下的电流表现如下：

• 高速活动电流（ACTIVE_HS）：典型值为 18mA，最大值为 30mA
• 高速空闲电流（IDLE_HS）：典型值为 13mA，最大值为 22mA
• 高速挂起电流（IsUSPEND_HS）：典型值为 0.76mA，最大值为 1.5mA
• 全速/低速电流（IFS_LS）：典型值为 0.77mA，最大值为 1.5mA
• 断开电流（DISCONNECT）：典型值为 0.86mA，最大值为 1.5mA
• 禁用电流（IRSTN）：典型值为 22μA，最大值为 80μA

此外，还给出了各引脚的相关电气参数，如输入电压、输入电流、电阻值等，为工程师的设计提供了详细的参考。

开关特性

• DxP/M 比特率（FBRDXX）：最大值为 480.24Mbps
• DxP/M 上升时间（tRISEDXX）：最小值为 100ps
• DxP/M 下降时间（tFALL_DXX）：最小值为 100ps

功能描述

功能框图

TUSB215 的功能框图展示了其内部结构和信号处理流程。该器件主要由信号调节模块、充电控制模块、模式检测模块等组成，各模块协同工作，实现对 USB 高速信号的补偿和处理。

特性详细描述

1. EQ 引脚：用于通过外部下拉电阻配置设备的交流升压，可实现四种不同的交流升压级别。在 RSTN 信号释放时采样，不识别实时调整，浮空时自动选择最大交流升压级别。
2. DC_BOOST 引脚：为三电平引脚，用于设置设备的直流增益。在复位时为 3 级输入信号 DC_BOOST，可选择不同的直流升压值；复位后为输出信号 ENA_HS，指示通道是否处于高速模式。
3. BC1.2 CDP 支持：TUSB215 不仅可以作为信号调节器，还能为不具备 USB BC 充电下行端口（CDP）功能的 USB 主机或集线器提供该功能。

设备功能模式

1. 低速（LS）模式：自动检测到 LS 连接时，不启用信号补偿，CD 引脚置高。
2. 全速（FS）模式：自动检测到 FS 连接时，不启用信号补偿，CD 引脚置高。
3. 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启用信号补偿，CD 引脚置高。
4. 关机模式：当 RSTN 引脚置低时，设备禁用。此时 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。
5. I2C 模式：支持 100kHz 的 I²C 通信，用于设备配置、状态回读和测试。在 RSTN 信号释放后，SCL 和 SDA 引脚采样为高时启用该模式，可通过 I²C 读写操作访问特定寄存器。

应用与实现

应用信息

TUSB215 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 走线和其他电容性负载会降低通道带宽，导致信号质量下降，甚至使通道无法通过 USB 近端眼图掩码测试。合理使用 TUSB215 可以有效解决这一问题，同时其直流升压功能有助于克服电缆和走线的直流损耗。此外，TUSB215 的 CD 引脚还可用于控制客户平台上的其他模块，并且提供 CDP 控制器功能。

典型应用

典型应用中，D2P 和 D2M 面向 USB 连接器，D1P 和 D1M 面向 USB 主机或集线器。当然，根据需求也可将方向反转。设计时需考虑一些参数，如电源电压（Vcc）、是否需要 I2C 支持、交流升压和直流升压的设置等。

详细设计流程

1. 复位信号：TUSB215 需要有效的复位信号。若微控制器按推荐驱动 RSTN 引脚，则无需在该引脚添加电容；否则，需添加外部电容以确保设备在低功耗复位状态。
2. VREG 引脚：该引脚为内部 LDO 输出，需要连接一个 0.1μF 的外部电容到地，以稳定核心电路。
3. 升压设置：理想的交流升压设置取决于目标平台的信号链损耗特性，一般建议从交流升压级别 0 开始，逐步增加；直流升压设置同理，建议预留更改升压设置的焊盘或连接，初始设置为直流升压级别 1。为使设备识别交流和直流升压设置的更改，需对 RSTN 引脚进行切换操作。
4. 设备放置：设备的放置位置取决于应用目标。若要通过 USB 近端掩码测试，应靠近测量点；若要通过 USB 远端眼图掩码测试，应靠近 USB PHY；若要级联多个设备以改善设备枚举，应放置在每个 USB 互连的中间位置。

测试流程

在使用示波器合规软件构建 USB 高速眼图之前，需遵循以下测试流程：

主机端应用

1. 将 TUSB215 配置到所需的交流和直流升压设置。
2. 给 TUSB215 上电（若已上电，则切换 RSTN 引脚）。
3. 使用 SMA 电缆将示波器和 USB-IF 主机端测试夹具连接到 TUSB215。
4. 使主机发送 USB TEST_PACKET。
5. 运行示波器的 USB 合规软件。
6. 重复上述步骤，以不同设置重新测试 TUSB215。

设备端应用

1. 将 TUSB215 配置到所需的交流和直流升压设置。
2. 给 TUSB215 上电（若已上电，则切换 RSTN 引脚）。
3. 将 USB 主机、USB-IF 设备端测试夹具和 USB 设备连接到 TUSB215，并将 USB-IF 设备测试夹具设置为‘INIT’位置。
4. 让主机枚举设备。
5. 使设备发送 USB TEST_PACKET。
6. 使用 SMA 电缆将示波器连接到 USB-IF 设备端测试夹具，并将设备端测试夹具设置为‘TEST’位置。
7. 运行示波器的 USB 合规软件。
8. 重复上述步骤，以不同设置重新测试 TUSB215。

电源供应建议

上电时，RSTN 引脚与上电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，设备应在上电斜坡稳定到 4.4V 或更高电压后再启用。若微控制器或其他电路无法在上电斜坡稳定前将 RSTN 引脚置低，则需在 RSTN 引脚与地之间连接外部电容，使设备保持在低功耗复位状态。推荐的最小外部电容值可根据公式 $C_{RSTN}=[Ramp Time × 5] div[500 kΩ]$ 计算。

布局建议

布局指南

为避免信号过孔，建议将高速走线与 TUSB215 放置在同一表层。布局应使用阻抗控制走线，以保持整个信号路径的 90Ω 差分阻抗，遵循高速信号布线的一般准则。

布局示例

文档中给出了 TUSB215 的 PCB 布局示例，展示了如何合理安排引脚和走线，以实现良好的信号传输和电磁兼容性。

器件和文档支持

接收文档更新通知

若要接收文档更新通知，可导航至 TI.com 上的器件产品文件夹，点击右上角的“通知我”进行注册，即可每周接收产品信息更改摘要。详细的更改信息可查看修订文档中的修订历史记录。

社区资源

TI 提供了丰富的社区资源，如 TI E2E™ 在线社区，工程师可在此咨询问题、分享知识、拓展思路并与同行协作解决问题。此外，TI 参考设计支持可帮助快速查找有用的 E2E 论坛、设计支持工具以及技术支持的联系信息。

商标说明

E2E 是德州仪器的商标，其他商标归各自所有者所有。

静电放电警告

静电放电可能会损坏集成电路，因此在处理 TUSB215 时，应采取适当的预防措施，如佩戴防静电手环、使用防静电工作台等，以避免因静电放电导致器件损坏。

总结

TUSB215 作为一款高性能的 USB 2.0 高速信号调节器，凭借其出色的特性、广泛的应用领域和详细的设计指导，为电子工程师在 USB 高速信号传输设计中提供了可靠的解决方案。无论是在笔记本电脑、台式机等传统设备，还是在新兴的智能设备中，TUSB215 都能发挥重要作用，帮助工程师解决信号衰减和质量下降的问题，提升设备的性能和稳定性。在实际应用中，工程师应根据具体需求合理选择和配置 TUSB215，结合其电源供应、布局等方面的建议，确保设计的顺利实现。你在使用 TUSB215 过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。