高速USB 2.0信号隔离切换利器：TS3USB31详解

在电子电路的设计中，信号的高效切换与隔离是至关重要的环节。尤其是在处理高速USB 2.0信号时，需要一款性能卓越的开关来确保信号的稳定传输。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的TS3USB31，一款专门为高速USB 2.0信号切换设计的1:1 SPST高带宽开关。

文件下载：ts3usb31.pdf

一、TS3USB31简介

TS3USB31特别针对高速USB 2.0信号的切换进行设计，拥有双向切换功能，能让高速信号几乎无衰减地通过。它具备低比特间偏移和高通道间噪声隔离的特性，能够很好地兼容像高速USB 2.0（480 Mbps）这类的标准。其小尺寸的UQFN封装，非常适合用于手机、数码相机以及带集线器的笔记本电脑等手持设备或消费类产品。

二、性能特点

电源与控制特性

• 宽电压工作范围： $V_{CC}$ 可在 3 V 和 4.3 V 下正常工作，能适应不同的电源环境。
• 低功耗设计：最大功耗仅 1µA，有利于降低系统整体功耗，延长设备续航时间。
• 控制引脚兼容性好：控制引脚输入与 1.8 - V 兼容，方便与各种控制电路集成。

电气性能优越

• 低导通电阻：最大导通电阻 $r_{on}$ 为 10 Ω，典型值更低，可有效减少信号传输过程中的损耗，保证信号的强度和质量。
• 低通道匹配偏差： $Delta r_{on}$ 典型值小于 0.35 Ω，确保各个通道间的信号一致性，减少信号失真。
• 低输入输出电容： $C_{io(ON)}$ 典型值为 6 pF，可减少信号传输过程中的延迟和衰减，提高信号的传输速度和质量。

ESD 防护能力强

按照 JESD 22 标准进行 ESD 性能测试，具备出色的静电防护能力：

• 人体模型（HBM）可达 6000 - V（A114 - B，Class II）。
• 充电器件模型（CDM）为 1000 - V（C101）。
• 机器模型（MM）为 250 - V（A115 - A）。

高带宽特性

典型 - 3 dB 带宽达到 1220 MHz，能够满足高速 USB 2.0 信号的传输要求，确保信号在高频下能稳定传输，减少信号失真和干扰。

封装小巧

采用 8 - 引脚 TQFN（1.5 mm × 1.5 mm）封装，体积小，占用 PCB 空间少，适合对空间要求较高的应用场景。

三、应用场景

TS3USB31主要用于 USB 1.0、1.1 和 2.0 总线的隔离。在实际应用中，该器件可用于隔离不使用的 USB 总线，防止两个不同的 USB 设备相互干扰。例如，在手机、数码相机和笔记本电脑等设备中，当有多个 USB 接口时，使用 TS3USB31 可以灵活控制各个接口的连接和断开，避免信号干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

四、引脚配置与功能

PIN 名称	引脚编号	输入/输出类型	功能描述
OE	1	I	总线开关使能引脚。高电平有效时，将 D + / D - 引脚与 HSD + / HSD - 引脚隔离；低电平有效时，将 D + / D - 引脚与 HSD + / HSD - 引脚连接。
D +	3	I/O	数据端口，用于传输 USB 数据信号。
D -	5	I/O	数据端口，用于传输 USB 数据信号。
HSD +	2	I/O	数据端口，用于高速 USB 数据信号传输。
HSD -	6	I/O	数据端口，用于高速 USB 数据信号传输。
N.C.	7		无内部连接，该引脚应悬空或接地。
GND	4		接地引脚，为芯片提供参考地。
Vcc	8	I/O	电源电压引脚，为芯片提供工作电源。

五、设计与使用建议

电源供应

为器件供电通过 $V{CC}$ 引脚，建议在 $V{CC}$ 引脚附近尽可能靠近地放置一个旁路电容，以平滑低频噪声，在整个频谱范围内提供更好的负载调节能力。由于该器件具有掉电隔离功能，允许在器件上电前 D + / - 和 HSD + / - 引脚上存在信号而不损坏器件，因此在系统中不需要与其他器件进行电源排序。

布局设计

• 电容放置：将电源旁路电容尽可能靠近 $V_{CC}$ 引脚放置，避免将旁路电容放置在 D + 和 D - 走线附近，以减少对信号的干扰。
• 走线长度与阻抗匹配：高速 D + 和 D - 走线应始终保持等长，且长度不超过 4 英寸，否则可能会降低眼图性能。在布局中，D + 和 D - 走线的阻抗应与电缆的特性差分阻抗匹配，以实现最佳性能。
• 减少信号反射：使用最少的过孔和拐角来布线高速 USB 信号，以减少信号反射和阻抗变化。当必须使用过孔时，增加过孔周围的间隙尺寸以减小其电容。
• 避免干扰源：不要在晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关调节器、安装孔、磁性设备或使用或复制时钟信号的 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，因为它们会导致信号反射。如果无法避免 Stub，则 Stub 长度应小于 200 mm。
• 多层板设计：由于 USB 信号的高频特性，建议使用至少四层的印刷电路板，包括两个信号层、一个接地层和一个电源层。大部分信号走线应在单层上运行，最好是顶层。紧邻该层应为连续且无分割的接地平面。

六、规格参数

绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
$V_{CC}$ 电源电压	- 0.5	7	V
$V_{IN}$ 控制输入电压	- 0.5	7	V
HSD +、HSD - 电压	- 0.5	$V_{CC}$ + 0.3	V
开关 I/O 电压（$V_{CC}$ > 0 时 D +、D -）	- 0.5	$V_{CC}$ + 0.3	V
开关 I/O 电压（$V_{CC}$ = 0 时 D +、D -）	- 0.5	5.25	V
控制输入钳位电流（$V_{IN}$ < 0）	- 50		mA
I/O 端口钳位电流（$V_{I/O}$ < 0）	- 50		mA
导通状态开关电流	± 64		mA
通过 $V_{CC}$ 或 GND 的连续电流	± 100		mA
存储温度	- 65	150	°C

ESD 额定值

测试模型	数值	单位
人体模型（HBM）	± 6000	V
充电器件模型（CDM）	± 1000	V

推荐工作条件

参数	最小值	最大值	单位
$V_{CC}$ 电源电压	3	4.3	V
高电平控制输入电压（$V_{CC}$ = 3 V 至 3.6 V）	1.3		V
高电平控制输入电压（$V_{CC}$ = 4.3 V）	1.7		V
低电平控制输入电压（$V_{CC}$ = 3 V 至 3.6 V）	0.5		V
低电平控制输入电压（$V_{CC}$ = 4.3 V）	0.7		V
数据输入/输出电压	0	$V_{CC}$	V
工作环境温度	- 40	85	°C

电气特性（部分）

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
$V_{IK}$ 输入钳位电压	$V_{CC}$ = 3 V，I = - 18 mA			- 1.2	V
$I_{IN}$ 控制输入电流	$V{CC}$ = 4.3 V 或 0 V，$V{IN}$ = 0 至 4.3 V			+ 1	µA
$I_{OZ}$ 开关关断时 I/O 端口电流	$V{CC}$ = 4.3 V，$V{O}$ = 0 至 3.6 V，$V_{i}$ = 0			± 1	µA
$I_{OFF}$ D + 和 D - 关断电流	$V{CC}$ = 0 V，$V{O}$ = 0 V 至 4.3 V，$V$ = 0，$V{IN}$ = $V{CC}$ 或 GND			+ 2	µA
$I_{CC}$ 电源电流	$V{CC}$ = 4.3 V，$I{IO}$ = 0，开关导通或关断			1	µA
$Delta I_{CC}$ 控制输入引起的电源电流变化	$V{CC}$ = 4.3 V，$V{IN}$ = 2.6 V			10	µA
$C_{in}$ 控制输入电容	$V{CC}$ = 0 V，$V{IN}$ = $V_{CC}$ 或 GND		1		pF
$C_{i(OFF)}$ 关断状态输入/输出电容	$V{CC}$ = 3.3 V，$V{io}$ = 3.3 V 或 0，开关关断		2		pF
$C_{io(ON)}$ 导通状态输入/输出电容	$V{CC}$ = 3.3 V，$V{io}$ = 3.3 V 或 0，开关导通		6		pF
$r_{on}$ 导通状态电阻	$V{CC}$ = 3 V，$V$ = 0.4 V，$I{O}$ = - 8 mA		6	10	Ω
$Delta r_{on}$ 通道匹配	$V{CC}$ = 3 V，$V$ = 0.4 V，$I{O}$ = - 8 mA		0.35		Ω
$r_{on(flat)}$ 导通状态电阻平整度	$V{CC}$ = 3 V，$V{i}$ = 0 V 或 1 V，$I_{O}$ = - 8 mA		2		Ω

七、总结

TS3USB31 凭借其出色的性能特点、小巧的封装以及广泛的应用场景，成为高速 USB 2.0 信号隔离与切换的理想选择。在实际设计中，只要严格按照推荐的电源供应和布局设计原则进行操作，就能充分发挥该器件的优势，为电子系统带来更稳定、高效的信号传输体验。大家在使用过程中如果遇到问题，或者有更好的使用经验，欢迎在评论区留言交流，共同进步！