高速USB信号切换的利器：TS3USB221详解

在电子设备设计领域，高速信号的切换与传输一直是工程师们关注的重点。特别是在USB接口广泛应用的今天，如何高效、稳定地切换USB信号成为了一个关键问题。TI公司的TS3USB221高速USB 2.0（480Mbps）1:2复用器或解复用器开关，为解决这一问题提供了优秀的解决方案。

文件下载：ts3usb221.pdf

特性亮点

电气性能优越

TS3USB221的工作电压范围为2.3V至3.6V，V1/O能接受高达5.5V的信号，控制引脚输入与1.8V兼容。在低功耗方面表现出色，当OE禁用时进入低功耗模式，电流仅为1μA，最大功耗仅30μA。其导通电阻 (R{ON}) 最大为6Ω，典型 (Delta r{ON}) 为0.2Ω，(C_{IO(ON)}) 最大为6pf，这些参数确保了信号传输的低损耗和高稳定性。

ESD防护能力强

该器件的ESD（静电放电）防护能力大于2000V（人体模型HBM），能有效抵抗静电干扰，提高了设备在复杂环境下的可靠性。

高带宽设计

具有典型1GHz的高带宽，能够让信号以最小的边缘和相位失真通过，非常适合高速USB 2.0信号的切换。

应用场景广泛

USB信号路由

可用于USB 1.0、1.1和2.0信号的路由，在移动行业处理器接口（MIPI™）信号路由以及MHL 1.0等场景中也能发挥重要作用。对于USB集线器或控制器USB I/O有限的情况，TS3USB221可以通过在多个USB总线之间切换，有效扩展有限的USB I/O，还能将单个控制器连接到两个USB连接器。

深入了解TS3USB221

引脚配置与功能

TS3USB221有DRC（VSON，10）和RSE（UQFN，10）两种封装形式。其引脚包括用于USB端口的1D+、1D - 、2D+、2D - 、D+、D - ，控制引脚OE（总线开关使能）、S（选择输入），以及电源引脚Vcc和接地引脚GND。每个引脚都有其特定的功能，共同实现了信号的切换和控制。

规格参数

绝对最大额定值

涵盖了电源电压、控制输入电压、开关I/O电压等多个参数的最大和最小值，超出这些范围可能会导致设备永久性损坏。例如，电源电压 (V_{CC}) 的范围是 - 0.5V至4.6V。

ESD额定值

人体模型（HBM）下ESD为 + 2000V，带电设备模型（CDM）下为 ± 1500V，这表明该器件具有较好的静电防护能力。

推荐工作条件

规定了电源电压、控制输入电压、数据输入/输出电压和工作温度等参数的合适范围，在这些条件下设备能正常工作。如电源电压 (V_{CC}) 推荐范围是2.3V至3.6V。

电气特性

包括控制输入电流、开关断开时的漏电流、电源电流等多个参数，这些参数反映了设备在不同工作状态下的电气性能。例如，控制输入电流 (I{IN}) 在 (V{CC}) 为3.6V、2.7V、0V，(V_{IN}) 为0V至3.6V时，最大为 ± 1μA。

动态电气特性

在不同电源电压（如 (V{CC}=3.3V pm 10%) 和 (V{CC}=2.5V pm 10%) ）下，测试了串扰、关断隔离和带宽等参数。典型情况下，带宽（ - 3dB）都能达到1GHz，串扰和关断隔离指标也较为优秀。

开关特性

包括传播延迟、线路启用时间、线路禁用时间和输出偏斜等参数，这些参数对于高速信号的准确切换至关重要。例如，在 (V{CC}=3.3V pm 10%) 时，传播延迟 (t{pd}) 典型值为0.25ns，最大为30ns。

典型特性曲线

文档中给出了增益与频率、关断隔离与频率、串扰与频率以及导通电阻与输入电压等典型特性曲线，通过这些曲线可以直观地了解设备在不同频率和电压下的性能表现。

应用设计要点

设计要求

要遵循USB 1.0、1.1和2.0标准，建议将数字控制引脚S和 (overline{OE}) 上拉到 (V_{CC}) 或下拉到GND，以避免因引脚浮空导致的开关位置异常。

详细设计步骤

TS3USB221在无外部组件的情况下也能正常工作，但为防止信号反射回设备，建议将未使用的引脚通过50Ω电阻接地。

电源供应建议

确保通过 (V{CC}) 引脚为设备供电，并遵循USB标准。在 (V{CC}) 引脚附近放置旁路电容，有助于平滑低频噪声，提供更好的负载调节。

布局注意事项

1. 电容放置：旁路电容应尽量靠近 (V_{CC}) 引脚，避免靠近D + /D - 走线。
2. 走线长度匹配：高速D + /D - 走线长度应匹配且不超过4英寸，以保证眼图性能。同时，要确保D + 和D - 走线的阻抗与电缆特性差分阻抗匹配。
3. 减少信号反射：高速USB信号路由应尽量减少过孔和拐角的使用，必须使用过孔时，增大过孔周围的间隙尺寸。避免在双绞线线路上设计测试点，如需转弯，使用两个45°转弯或圆弧代替90°转弯。
4. 避免干扰源：不要在晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关稳压器、安装孔、磁性设备或使用时钟信号的IC附近或下方路由USB走线。
5. 避免信号反射：避免高速USB信号上出现Stub，若不可避免，Stub长度应小于200mm。
6. 多层板设计：建议使用至少四层的印刷电路板，确保大部分信号走线在同一层，且GND平面紧邻该层。

总结

TS3USB221凭借其优越的电气性能、广泛的应用场景和详细的设计指导，为电子工程师在高速USB信号切换设计中提供了可靠的选择。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计需求和场景，合理运用TS3USB221的各项特性，并严格遵循设计要点，以确保设备的高性能和稳定性。大家在使用TS3USB221的过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。