高速USB 2.0信号开关TS3USB31的设计与应用详解

在当今的电子产品设计中，高速信号传输的稳定性和可靠性至关重要。特别是在USB接口的应用中，一款优秀的信号开关能够大大提升系统的性能。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）推出的TS3USB31 1:1 SPST高速USB 2.0（480 - Mbps）总线隔离开关，看看它能为我们的设计带来哪些优势。

文件下载：ts3usb31.pdf

一、产品概述

TS3USB31是一款专门为高速USB 2.0信号切换而设计的1:1 SPST高带宽开关。它采用了小巧的UQFN封装，非常适合用于手机、数码相机和带集线器的笔记本电脑等手持设备或消费类应用。该开关具有双向性，对高速信号的衰减极小，同时具备低比特间偏移和高通道间噪声隔离的特性，完全兼容高速USB 2.0（480 Mbps）等多种标准。

二、产品特性亮点

电源与控制特性

• 宽电压工作范围：支持3V和4.3V的(V_{CC})电源电压，能够适应不同的电源环境。
• 低电压兼容控制引脚：控制引脚输入与1.8V电平兼容，方便与其他低电压器件接口。
• 低功耗：最大功耗仅为1µA，有助于降低系统的整体功耗。

开关性能特性

• 低导通电阻：最大导通电阻(r{on})为10Ω，典型的通道匹配(Delta r{on})小于0.35Ω，能够有效减少信号传输过程中的损耗。
• 低输入输出电容：典型的导通状态输入输出电容(C_{io(ON)})为6pF，有助于提高信号的传输速度。

静电防护特性

经过JESD 22标准的ESD性能测试，能够承受6000V的人体模型（HBM）、1000V的带电器件模型（CDM）和250V的机器模型（MM）静电放电，具有良好的抗静电能力，保护器件不受静电损坏。

带宽特性

典型的 -3dB带宽达到1220MHz，能够满足高速信号的传输需求，确保信号在传输过程中不会出现严重的失真。

封装特性

采用8引脚的TQFN封装（1.5mm × 1.5mm），体积小巧，节省电路板空间，便于在小型化设备中使用。

三、产品应用场景

TS3USB31主要用于USB 1.0、1.1和2.0总线的隔离。在实际应用中，当USB总线不使用时，它可以将其隔离，防止不同的USB设备之间相互干扰，从而提高系统的稳定性和可靠性。

四、产品详细规格与参数

绝对最大额定值

涵盖了(V{CC})电源电压、控制输入电压、开关I/O电压等参数的最大和最小值，使用时必须严格遵守这些额定值，以避免器件损坏。例如，(V{CC})电源电压的范围为 -0.5V至7V。

ESD额定值

人体模型（HBM）为±6000V，带电器件模型（CDM）为±1000V，体现了器件良好的抗静电能力。

推荐工作条件

包括(V{CC})电源电压、控制输入电压、数据输入输出电压和工作温度范围等。例如，推荐的(V{CC})电源电压范围为3V至4.3V，工作温度范围为 -40°C至85°C。

电气特性

详细列出了输入钳位电压、控制输入电流、关态输入输出电容、导通电阻等参数的测试条件和典型值。例如，在(V_{CC}=3V)，(I = -18mA)的条件下，输入钳位电压(VIK)为 -1.2V。

动态电气特性

如串扰（XTALK）、关态隔离（OIRR）和带宽（BW）等参数。在(RL = 50Ω)，(f = 240MHz)的测试条件下，串扰为 -53dB，关态隔离为 -30dB， -3dB带宽典型值为1220MHz。

开关特性

包括传播延迟、线路启用时间、线路禁用时间、输出端口间偏移等参数。例如，在(RL = 50Ω)，(CL = 5pF)的条件下，传播延迟典型值为0.25ns。

典型特性曲线

提供了插入损耗/带宽、关态隔离、串扰等参数随频率变化的曲线，帮助工程师更好地了解器件在不同频率下的性能表现。

五、产品功能模式与工作原理

TS3USB31通过OE引脚进行数字控制，具有两种工作模式：

• 断开模式（OE为高电平）：当OE引脚设置为高电平时，信号路径处于高阻抗状态，将(D+/D-)引脚与(HSD+/HSD-)引脚隔离。
• 连接模式（OE为低电平）：当OE引脚设置为低电平时，(D+/D-)引脚与(HSD+/HSD-)引脚相连，信号可以正常传输。

此外，当(V_{CC}=0V)时，信号路径处于高阻抗状态，能够在器件上电前允许(D+/-)和(HSD+/- )引脚上存在信号，而不会损坏器件，支持部分掉电模式操作。

六、应用设计要点

设计要求

在设计过程中，需要遵循USB 1.0、1.1和2.0标准的要求。同时，为了避免因引脚浮空而导致开关位置异常，建议将数字控制引脚OE上拉至(V_{CC})或下拉至地。

详细设计步骤

• 外部元件使用：TS3USB31可以在没有任何外部元件的情况下正常工作，但为了防止信号反射回器件，建议将未使用的引脚通过一个50Ω的电阻连接到地。
• N.C引脚处理：N.C引脚应保持浮空状态。

电源供应建议

为器件提供电源的(V_{CC})引脚，建议在其附近尽可能靠近地放置一个旁路电容，以平滑低频噪声，提高整个频率范围内的负载调节能力。由于该器件具有掉电隔离功能，因此在系统中不需要与其他器件进行电源排序。

布局设计指南

• 电容放置：将电源旁路电容尽可能靠近(V_{CC})引脚放置，避免在D+和D - 走线附近放置旁路电容。
• 高速走线要求：高速D+和D - 走线应保持等长，且长度不超过4英寸，以避免眼图性能下降。同时，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。
• 布线注意事项：尽量减少高速USB信号走线的过孔和拐角数量，当必须使用过孔时，应增加其周围的间隙大小，以减少电容。避免在晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关稳压器、安装孔、磁性设备或使用或复制时钟信号的IC附近或下方布线。避免在高速USB信号上出现短截线，如果无法避免，短截线长度应小于200mm。
• 多层板设计：建议使用至少四层的印刷电路板，其中两层信号层由一层接地层和一层电源层隔开。大多数信号走线应在同一层上运行，最好是顶层，紧邻该层的应为完整的接地平面。

七、总结与思考

TS3USB31作为一款高性能的高速USB 2.0信号开关，具有众多优秀的特性和广泛的应用场景。在实际设计中，我们需要充分考虑其各项参数和设计要求，合理布局和使用，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，我们也可以思考如何进一步优化设计，提高系统的性能，例如在不同的应用场景中如何更好地利用其低功耗和高带宽特性。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师们更好地了解和应用TS3USB31这款产品。