德州仪器TMUXHS221：高速USB开关的卓越之选

在电子设备的设计中，信号的高效切换和传输至关重要。今天，我们要介绍一款来自德州仪器（Texas Instruments）的高性能开关芯片——TMUXHS221，它在USB 2.0和高速信号处理方面表现出色。

文件下载：tmuxhs221.pdf

一、TMUXHS221的特性亮点

1. 兼容性强

TMUXHS221兼容USB 2.0和eUSB2的LS、FS、HS物理层，能支持大多数CMOS或差分信号，最高可达3.3 V和3 Gbps的数据速率。其数据引脚具有5 V耐压能力，这使得它在不同的应用场景中都能稳定工作。

2. 低导通电阻和高带宽

在(V{I/O}=0.2 V)时，导通电阻(R{ON})低至3 Ω，这有助于减少信号传输过程中的损耗。同时，它拥有高达3.3 GHz的 -3 dB带宽，能够满足高速信号的传输需求。

3. 出色的高速性能

对于240 MHz的USB 2.0或eUSB2 HS信号，插入损耗仅为 -0.4 dB，回波损耗为 -22 dB，关断隔离/串扰达到 -32 dB。这些参数表明它在高速信号处理中能够有效减少信号失真和干扰，保证信号的完整性。

4. 低眼图衰减

在USB 2.0 HS信号传输中，它对垂直和水平眼图的衰减极小，确保了信号的清晰和稳定。

5. 宽温度范围和小封装

工作温度范围为 -40°C至125°C，适用于各种恶劣的工业环境。采用10引脚1.4 mm × 1.8 mm的UQFN小封装，节省了电路板空间。

二、应用领域广泛

1. 消费电子

在PC、笔记本电脑、游戏设备、电视、家庭影院和娱乐设备中，TMUXHS221可用于信号的切换和路由，提高设备的性能和兼容性。

2. 数据中心和企业计算

在数据中心和企业计算环境中，它能确保高速数据的稳定传输，提高系统的可靠性和效率。

3. 医疗和测试设备

在医疗应用和测试测量设备中，对信号的准确性和稳定性要求极高，TMUXHS221的高性能能够满足这些需求。

4. 工业自动化

在工厂自动化和控制领域，它可以适应恶劣的工业环境，实现信号的可靠切换和传输。

5. 移动设备

在手机和平板电脑中，小封装的TMUXHS221可以节省空间，同时保证高速数据的传输。

三、详细技术参数解析

1. 绝对最大额定值

• 电源电压(V_{CC-ABSMAX})范围为 -0.5 V至4.0 V。
• 数据引脚电压(V_{I/O-ABSMAX})范围为 -0.5 V至5.5 V。
• 控制引脚电压(V_{IN-ABSMAX})范围为 -0.5 V至4.0 V。
• 数据引脚导通状态开关电流(I_{I/O-ABSMAX})最大为100 mA。
• 结温(T_{J-ABSMAX})范围为 -40°C至125°C。
• 存储温度(T_{STG})范围为 -65°C至150°C。

  2. ESD额定值

  人体模型（HBM）为 ±5000 V，带电设备模型（CDM）为 ±1000 V，具有较好的静电防护能力。

  3. 推荐工作条件

• 电源电压(V_{CC})范围为3.0 V至3.6 V，典型值为3.3 V。
• 电源电压斜坡时间(V_{CC RAMP})为0.1 ms至100 ms。
• 数据信号电压范围(V_{I/O})为 -0.3 V至3.6 V。
• 工作环境温度(T{A})和结温(T{J})范围均为 -40°C至125°C。

  4. 热性能

• 结到环境热阻(R_{θJA})为225.9 °C/W。
• 结到壳体（顶部）热阻(R_{θJC(top)})为93.5 °C/W。
• 结到板热阻(R_{θJB})为147.5 °C/W。

  5. 电气特性

• 器件激活电流(I_{CC})在(OEn = L)时为11 μA。
• 器件关断电流(I_{STDN})在(OEn = H)时为1.3 μA至4 μA。
• 输出导通电容(C_{ON})在(OEn = L)时为1.7 pF。
• 通道导通电阻(R{ON})在不同条件下有所变化，如(V{I/O}=0 V)，(I_{O} = –8 mA)时为3 Ω至5.4 Ω。

  6. 高速性能参数

• -3 dB带宽(BW)为3.3 GHz。
• 不同频率下的插入损耗、回波损耗、关断隔离和串扰等参数表现出色，确保了高速信号的良好传输。

  7. 开关特性

  开关传播延迟、开关时间、通道开启和关闭时间等参数都在合理范围内，保证了信号的快速切换。

四、功能模式和应用设计

1. 功能模式

TMUXHS221有两种电源模式：正常工作模式和待机（关机）模式。通过将(OEn)引脚拉高可进入待机模式，此时器件功耗极低。其数据线路无内部偏置，所有通道必须从两侧之一进行偏置，以避免通道浮空。

2. 应用设计

路由调试信号到USB端口

在许多电子设备中，需要将调试信号路由到USB端口。TMUXHS221凭借其灵活的数据处理能力和低损耗特性，成为理想的选择。在设计时，需要注意信号完整性，提供干净的阻抗和匹配的电路板走线，为控制引脚提供合适的控制信号，并确保良好的接地连接。

PCIe时钟复用

在PCIe时钟切换应用中，TMUXHS221在TI评估板上的测试结果表明，它为所有NOISE_FOLD和PCIe 5.0 CK滤波器版本增加的抖动小于10 fs，远低于PCIe 5.0时钟规范。

USB - C SBU复用

在USB Type - C接口中实现SBU交叉复用，TMUXHS221具有足够的带宽来支持快速辅助（AUX）信号，并且能够处理DP AUX信号的不对称偏置。

五、布局和电源建议

1. 布局指南

• 电源旁路电容应尽可能靠近(VCC)引脚，避免靠近(D + / D -)走线。
• 高速(D + / D -)走线应匹配，长度不超过4英寸，以保证眼图性能。
• 阻抗应与电缆的差分特性阻抗匹配，减少信号反射和阻抗变化。
• 高速USB信号应尽量减少过孔和拐角的使用，如需使用过孔，应增加其周围的间隙尺寸。
• 避免在晶体、振荡器、时钟信号发生器等附近布线，防止干扰。

  2. 电源建议

  TMUXHS221不需要特定的电源顺序，但建议在(VCC)稳定后再启用该器件，并在(VCC)引脚附近放置足够的去耦电容。

六、总结

TMUXHS221是一款性能卓越的高速开关芯片，具有兼容性强、低损耗、高带宽等优点，适用于多种应用领域。在设计过程中，合理的布局和电源设计能够充分发挥其性能优势。电子工程师们在进行高速信号处理和切换设计时，不妨考虑这款芯片，相信它能为你的设计带来意想不到的效果。你在实际应用中有没有遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。