探索TS3USB30E：高速USB 2.0信号切换的理想之选

在电子设备的设计中，高速信号的切换和处理一直是工程师们关注的重点。随着USB技术的广泛应用，对于能够高效处理高速USB信号的开关需求日益增长。今天，我们就来深入了解一款专为高速USB 2.0信号切换设计的开关——德州仪器（TI）的TS3USB30E。

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一、特性亮点

1. 电源电压与兼容性

TS3USB30E的 (V_{CC}) 工作电压范围为2.7V至4.3V，这使得它能够适应不同的电源环境，为设计带来了更大的灵活性。同时，其D+/D–引脚能够承受高达5.25V的电压，增强了设备的可靠性。控制引脚输入与1.8V兼容，方便与各种低电压的控制电路连接。

2. 低电阻与低电容

该开关的导通电阻 (R{ON}) 最大为10Ω，典型值为6Ω，在信号传输过程中能够有效减少功率损耗。通道间导通电阻匹配 (Delta R{ON}) 典型值为0.35Ω，确保了信号在不同通道间的一致性。此外，导通状态下的输入电容 (C_{io(ON)}) 典型值为7.5pF，有助于减少信号的失真。

3. 低功耗与高带宽

TS3USB30E的功耗极低，最大仅为70nA，这对于便携式设备来说尤为重要，能够有效延长电池续航时间。其 –3dB带宽典型值为1400MHz，允许高速USB 2.0信号（480Mbps）以最小的边缘和相位失真通过，保证了信号的高质量传输。

4. 静电放电（ESD）保护

在ESD保护方面，TS3USB30E表现出色。所有引脚经过JESD 22标准测试，人体模型（HBM）可达8000V（Class II），充电设备模型（CDM）可达1000V。I/O端口到GND的HBM ESD性能更是高达15000V，为设备提供了可靠的静电防护，减少了因静电放电而导致的损坏风险。

5. 封装小巧

该器件采用10引脚的UQFN封装（1.8mm × 1.4mm）或VSSOP封装，体积小巧，适合应用于对空间要求较高的便携式电子设备中。

二、应用领域

1. USB信号路由

TS3USB30E可用于USB 1.0、1.1和2.0信号的路由，能够将多个USB总线切换到单个USB集线器或控制器，有效扩展有限的USB I/O接口。例如，在一些带有多个USB设备的系统中，如手机、数字相机、笔记本电脑等，通过该开关可以灵活地选择连接不同的USB设备。

2. 多用途信号切换

除了USB信号，它还可用于其他多用途信号的切换，为系统设计提供了更多的可能性。

3. 便携式电子设备

由于其低功耗和小封装的特点，TS3USB30E非常适合应用于便携式电子设备中，如智能手机、平板电脑等，能够在不增加过多功耗和体积的情况下实现高速USB信号的切换。

4. 工业和消费产品

在工业和消费产品领域，该开关也有着广泛的应用前景，可用于各种需要高速信号切换的设备中。

三、详细描述

1. 工作原理

TS3USB30E是一款高带宽的1:2开关，它能够将USB主机设备的差分输出多路复用到两个相应输出中的一个，或者将两个不同主机的信号切换到一个相应输出。该开关具有双向性，对输出的高速信号几乎没有衰减。同时，它设计用于低比特间偏斜和高通道间噪声隔离，与高速USB 2.0标准兼容。

2. 功能模式

通过控制引脚OE和S，可以实现不同的功能模式。OE为总线开关使能引脚，当OE为低电平时，信号路径处于高阻抗状态，可在总线不使用时减少电流消耗。S为选择输入引脚，不同的电平状态决定了信号的切换路径：当S为低电平时，D = D1；当S为高电平时，D = D2；当S为任意值（X）时，断开连接。

四、规格参数

1. 绝对最大额定值

了解器件在各种条件下的最大承受能力是设计的关键。TS3USB30E的 (V{CC}) 电源电压范围为 –0.5V至 (V{CC}+0.3V)，控制输入电压范围为 –0.5V至 (V{CC})，信号路径I/O电压在 (V{CC}>0V) 时为 –0.5V至 (V{CC}+0.3V)，在 (V{CC}=0V) 时为 –0.5V至5.25V。此外，还对控制输入钳位电流、I/O端口钳位电流、导通状态开关电流等参数有明确的限制。

2. ESD评级

如前文所述，该器件在ESD保护方面表现优异，所有引脚的人体模型（HBM）为8000V，I/O端口到GND的HBM为15000V，充电设备模型（CDM）为1000V。

3. 推荐工作条件

在推荐工作条件下，TS3USB30E能够稳定可靠地工作。 (V{CC}) 电源电压范围为3V至4.3V，高电平控制输入电压 (V{IH}) 在不同 (V{CC}) 下有相应的要求，低电平控制输入电压 (V{IL}) 也有明确规定。数据输入/输出电压范围为0V至 (V_{CC})，工作环境温度范围为 –40°C至85°C。

4. 热信息

不同封装的TS3USB30E在热性能方面有所差异。例如，DGS（VSSOP）封装的结到环境热阻 (R{θJA}) 为203.1°C/W，RSW（UQFN）封装的结到环境热阻 (R{θJA}) 为114.5°C/W。了解这些热信息有助于在设计中合理考虑散热问题，确保器件在正常温度范围内工作。

5. 电气特性

包括控制输入钳位电压、控制输入电流、D+和D– 关断状态泄漏电流、电源电流等参数，这些参数反映了器件在不同工作条件下的电气性能。例如，控制输入电流 (I{IN}) 在 (V{CC}=4.3V) 时，最大为 ±1μA。

6. 动态电气特性

在动态电气特性方面，TS3USB30E的串扰（XTALK）在 (R_{L}=50Ω)、(f = 240MHz) 时为 –32dB，关断隔离（OISO）同样为 –32dB，–3dB带宽（BW）为1400MHz，这些特性保证了信号在高速传输过程中的稳定性和可靠性。

7. 开关特性

开关特性包括传播延迟、线路启用时间、线路禁用时间、输出偏斜等参数。例如，传播延迟 (t{pd}) 在 (R{L}=50Ω)、(C{L}=5pF)、480Mbps时典型值为0.25ns，线路启用时间 (t{ON}) 最大为30ns，线路禁用时间 (t_{OFF}) 最大为25ns。这些参数对于评估开关的响应速度和信号质量至关重要。

五、应用与实现

1. 应用信息

在实际应用中，当USB集线器或控制器的USB I/O接口有限时，TS3USB30E可以通过在多个USB总线之间切换，实现对有限USB I/O的有效扩展。它还可以将单个USB控制器连接到两个USB连接器或控制器。

2. 典型应用

以一个应用图为例，展示了TS3USB30E在连接USB 2.0控制器、机顶盒CPU或DSP、DVR或大容量存储设备以及USB连接器等方面的应用。在设计过程中，需要遵循USB 1.0、1.1和2.0标准，同时建议将数字控制引脚S和OE上拉到 (V_{CC}) 或下拉到GND，以避免因引脚浮空而导致的开关位置异常。

3. 电源供应建议

为器件供电的 (V{CC}) 引脚必须遵循USB标准。建议在 (V{CC}) 引脚附近放置一个旁路电容，以平滑低频噪声，提高整个频率范围内的负载调节能力。

4. 布局指南

在PCB布局方面，需要注意以下几点：

• 旁路电容应尽可能靠近 (V_{CC}) 引脚，避免靠近D+和D– 走线。
• 高速D+和D– 走线长度应相等且不超过4英寸，以保证眼图性能。同时，要确保走线的阻抗与电缆的特性差分阻抗匹配。
• 尽量减少高速USB信号走线的过孔和拐角数量，以减少信号反射和阻抗变化。当必须使用过孔时，应增加过孔周围的间隙尺寸，以减小电容。
• 避免在USB走线下方或附近布置晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关稳压器、安装孔、磁性器件或使用时钟信号的IC。
• 避免在高速USB信号上出现Stub，如果无法避免，Stub长度应小于200mm。
• 所有高速USB信号走线应在连续的平面（(V_{CC}) 或GND）上布线，避免跨越分割平面。
• 建议使用至少四层的印刷电路板，以减少电磁干扰。

六、总结

TS3USB30E作为一款专为高速USB 2.0信号切换设计的开关，具有低功耗、高带宽、出色的ESD保护和小巧的封装等优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要充分了解其特性和规格参数，遵循应用和布局指南，以确保设备的性能和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似的高速信号切换问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。