USB 3.0正逐漸成為最有前景的數(shù)據(jù)傳輸接口之一。相比USB 2.0,USB 3.0速率快10倍,達(dá)5.0Gbps;提供異步機(jī)制,能夠同步收發(fā)數(shù)據(jù);并提供了高達(dá)900mA的電源輸出。3D攝像頭等跨筆記本電腦、PC、平板電腦和智能手機(jī)的新應(yīng)用正使USB 3.0變成下一代系統(tǒng)I/O互聯(lián)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)USB 3.0時(shí),需要考慮兩個(gè)重要問(wèn)題。USB 3.0作為一種高速傳輸接口,信號(hào)完整性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遇到的首要問(wèn)題——它會(huì)降低傳輸信號(hào)的質(zhì)量。信號(hào)調(diào)理利用加重和均衡技術(shù)校正抖動(dòng)和衰減損耗,為信號(hào)完整性恢復(fù)提供了解決方案。在線路中增加補(bǔ)償器件(如ReDriver),能夠?qū)νǖ纼?nèi)其余部分產(chǎn)生的衰減進(jìn)行補(bǔ)償。
擴(kuò)展USB 3.0應(yīng)用的另一個(gè)重要方法是采用USB開(kāi)關(guān)器件。設(shè)計(jì)人員要想加快上市時(shí)間,需要能夠在其現(xiàn)有設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用USB 3.0/2.0接口。采用USB開(kāi)關(guān),將無(wú)需對(duì)USB 3.0進(jìn)行調(diào)試,從而能夠幫助快速實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
用USB ReDriver延長(zhǎng)USB信號(hào)的傳輸距離
設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)USB 3.0系統(tǒng)時(shí)所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是,如何確保高速傳輸?shù)男盘?hào)能夠在經(jīng)歷最長(zhǎng)的距離后,仍然保持良好的質(zhì)量。例如在正在興起的PC機(jī)3D攝像頭應(yīng)用中,3D數(shù)據(jù)在USB 3.0 3D攝像頭和USB 3.0主機(jī)之間傳輸時(shí),有可靠的USB 3.0連接、接收端均衡損耗補(bǔ)償、有效的USB 3.0電源管理以及最低的誤碼率。隨著USB接口在移動(dòng)設(shè)備上變得流行,新的Type-C接口推向市場(chǎng);Type-C連接器及帶Type-C開(kāi)關(guān)的Type-C線纜的插入損耗,將進(jìn)一步降低USB 3.0高速信道的信號(hào)完整性質(zhì)量。
保持信號(hào)完整性一般通過(guò)降低發(fā)射器與接收器之間的通信損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而,隨著信號(hào)頻率增加,PCB走線、連接器、過(guò)孔和線纜上的損耗也將增加。高速信號(hào)也更容易受到環(huán)境噪聲的影響。根據(jù)特定的使用協(xié)議,總損耗會(huì)超出控制器所能可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力(即至少將誤碼率維持在10-12)。
一般,F(xiàn)R4 PCB材料傳輸速率每增加10Gbps,通道損耗就會(huì)增加約1dB。連接器和過(guò)孔損耗也要算進(jìn)來(lái)。
對(duì)于開(kāi)發(fā)人員利用高速接口開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的情況,有兩個(gè)指標(biāo)正成為影響系統(tǒng)完整性的重要指標(biāo):功率和工藝尺寸。復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)在單芯片上集成了處理器、I/O、內(nèi)存以及其他功能。為了提高處理性能,實(shí)現(xiàn)較高的功率效率,SoC將工作電壓降低,并采用較小尺寸設(shè)計(jì)。這些器件與前代系統(tǒng)引腳兼容,以簡(jiǎn)化在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的集成。因此,設(shè)計(jì)人員能夠以較低的成本獲得較好的性能和功耗。
然而,工藝尺寸縮小卻存在SoC驅(qū)動(dòng)信號(hào)降低的問(wèn)題。比如,手機(jī)和其他小尺寸系統(tǒng)的芯片組制造商面臨的問(wèn)題是,這些電池供電器件需要以相同功率提供更好的性能,以至于不會(huì)影響電池壽命。然而,工作在較高頻率會(huì)增加功耗。處理器要降低功耗影響,就需要降低工作電壓。另一方面,通信通道的輸出電壓已定。然而,SoC內(nèi)部的不同功能模塊都是針對(duì)超低功耗而設(shè)計(jì)的,整體設(shè)計(jì)可能限制可用驅(qū)動(dòng)功率,并極大降低高速鏈路的驅(qū)動(dòng)輸出,繼而降低驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度(一些SoC不可能針對(duì)超低功率設(shè)計(jì),仍然會(huì)維持高功率驅(qū)動(dòng)輸出)。
在5Gbps的信號(hào)速率下,就能看到工藝尺寸降低對(duì)信號(hào)完整性的影響。這些影響包括:較低的工作電壓、EMI以及走線/線纜長(zhǎng)度。例如,當(dāng)SoC遷移到下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)時(shí),集成USB控制器的驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度可能降低一半。 因此,若SoC與前代引腳兼容,它將無(wú)法做到驅(qū)動(dòng)兼容。通道損耗在信號(hào)驅(qū)動(dòng)降低的情況下可能變得太大,這樣,采用前代SoC設(shè)計(jì)的符合規(guī)范的通信通道遷移到下一代器件時(shí),就有可能變得不可靠了。
為了驗(yàn)證具有高速接口的設(shè)備能夠通過(guò)一致性測(cè)試,許多開(kāi)發(fā)人員通過(guò)在接收端測(cè)量信號(hào)眼圖來(lái)測(cè)試信號(hào)完整性。
圖1(A)中,發(fā)送端信號(hào)眼圖很好地打開(kāi),并且信號(hào)抖動(dòng)和衰減在可接受范圍內(nèi)。然而,通道內(nèi)走線(標(biāo)準(zhǔn)FR4 PCB在12Gbps速率下?lián)p耗約為1.2dB/in)、過(guò)孔(每個(gè)達(dá)2dB)、線纜(根據(jù)線纜質(zhì)量,在1.9~4.4dB/m之間)和連接器(0.5~1.5dB)所產(chǎn)生的總信號(hào)損耗太大,接收端信號(hào)眼圖關(guān)閉,誤碼率顯著上升(圖1(B))。這降低了通道的可靠性和吞吐率。信號(hào)調(diào)理利用加重和均衡技術(shù)校正抖動(dòng)和衰減損耗,為信號(hào)完整性恢復(fù)提供了一種方法。在通信通道內(nèi)引入ReDriver或中繼器后,ReDriver會(huì)對(duì)接收信號(hào)所產(chǎn)生的損耗進(jìn)行校正,并對(duì)通道剩余部分會(huì)產(chǎn)生的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。在采用ReDriver對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后,接收端的信號(hào)眼圖打開(kāi),信號(hào)和數(shù)據(jù)完整性得以恢復(fù)(圖2)。這樣,信號(hào)能夠可靠傳輸更遠(yuǎn)距離,連接器的個(gè)數(shù)可以增加。
圖1:接收端信號(hào)眼圖很好地打開(kāi),表明信號(hào)抖動(dòng)和衰減在可接受的范圍內(nèi)(A)。走線、過(guò)孔、線纜和連接器的損耗過(guò)大導(dǎo)致接收端信號(hào)眼圖關(guān)閉,從而使誤碼率顯著增加,使通道的可靠性和有效吞吐率降低(B)。
圖2:通信通道使用ReDriver后,ReDriver采用信號(hào)調(diào)理,通過(guò)校正抖動(dòng)和衰減損耗使信號(hào)完整性得到恢復(fù)。接收端的信號(hào)眼圖打開(kāi),接口的可靠性和吞吐率得到優(yōu)化。(A)和(B)為采用ReDriver前后,信號(hào)的眼圖對(duì)比。
為獲得最好的性能,ReDriver在通道內(nèi)的理想位置是中點(diǎn),以將其兩端的通道損耗平分。
[page]
ReDriver提供的信號(hào)調(diào)理對(duì)通信信道是透明的。它不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼或?qū)f(xié)議命令進(jìn)行評(píng)估,而是恢復(fù)最初信號(hào)的完整性,使其通過(guò)。ReDriver的參數(shù)根據(jù)通道表征選取,它將獨(dú)立于系統(tǒng)的其余部分工作。
對(duì)于使用線纜的(例如許多消費(fèi)類電子)應(yīng)用,信號(hào)完整性尤其重要。消費(fèi)者希望能夠如自己希望的那樣使用設(shè)備。假設(shè)用戶想要通過(guò)線纜將手機(jī)連接到電視,線纜至少需要有兩米長(zhǎng),才能使連接到電視背后,不至于使用戶離屏幕太近而感到不舒適。消費(fèi)者一般不會(huì)參考接口規(guī)范,他們買回線纜是希望它能工作。這樣,他們買到的線纜可能比系統(tǒng)指定的更長(zhǎng),或者使用質(zhì)量較差、屏蔽不好的線纜。
隨著便攜設(shè)備新應(yīng)用的增加,對(duì)較長(zhǎng)和較便宜線纜提供支持的需求將會(huì)與日俱增。雖然這些應(yīng)用可能最終會(huì)采用無(wú)線通信,但是現(xiàn)在還沒(méi)到這個(gè)時(shí)候。例如,在大多數(shù)消費(fèi)者都有可傳送視頻流的便攜設(shè)備時(shí),僅有少數(shù)電視提供無(wú)線連接。因此,保證線纜的信號(hào)完整性對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)將是一個(gè)重要特性。采用ReDriver延伸長(zhǎng)度的“有源”線纜在市場(chǎng)上正不斷增加。
為了實(shí)現(xiàn)最佳性能,ReDriver的輸入和輸出都要進(jìn)行表征,以匹配其所放入的實(shí)際通道。理想情況下,高速接口應(yīng)設(shè)計(jì)成閉合通道或受限制的開(kāi)放通道,這意味著通道最大長(zhǎng)度由通道損耗小于4dB確定。具有數(shù)據(jù)線的應(yīng)用通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)線可設(shè)計(jì)成閉合通道。
ReDriver放置需要考慮系統(tǒng)的整個(gè)架構(gòu)。例如,對(duì)于許多小尺寸設(shè)備,損耗的中點(diǎn)可能在附加線纜的中間位置。在這種情況下,將ReDriver放在離連接器盡可能近的位置,可以實(shí)現(xiàn)最好的信號(hào)調(diào)理。確定最佳位置需作正規(guī)的通道分析。更復(fù)雜的系統(tǒng)可能要放在不同的位置。
SoC架構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是將應(yīng)用所需的多個(gè)功能集成到一個(gè)單芯片中。這種方法的優(yōu)勢(shì)很明顯,包括功耗、尺寸和價(jià)格降低,以及使設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化(因?yàn)楣δ苣K的耦合更加緊密)。然而,這對(duì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了不利一面。
信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出較高會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI),對(duì)鄰近電路產(chǎn)生不期望的噪聲。在SoC的有限區(qū)域內(nèi),高速接口的EMI會(huì)對(duì)RF子系統(tǒng)造成破壞。這不僅會(huì)降低射頻可靠性,還會(huì)迫使射頻電路消耗更多的功率,以補(bǔ)償傳輸距離下降,從而使功耗增加。
EMI對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響取決于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。例如,在手機(jī)和平板電腦中,考慮到滿足緊湊空間的需求,I/O口線通常是繞過(guò)電池布線的。攝像頭/USB端口通常設(shè)置在系統(tǒng)的頂部和底部——SoC由于MIPI-CSI2接口而放在攝像頭附近;SoC與USB端口的連接則通過(guò)帶專有連接器的柔性印制線(FPC)來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖3)。
圖3:USB 3.0 ReDriver可用于最大限度降低手機(jī)內(nèi)部的電磁干擾(EMI)。其允許調(diào)低內(nèi)核芯片USB 3.0輸出擺幅,降低EMI干擾的影響;在信號(hào)離開(kāi)手機(jī)時(shí),可增加信號(hào)擺幅,并對(duì)通道損耗進(jìn)行補(bǔ)償。
柔性印制線在手機(jī)中會(huì)形成一根約7”的天線,它還會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大干擾。為了降低RF和USB 3.0信號(hào)的干擾,需要對(duì)接口走線進(jìn)行屏蔽。但是由于走線長(zhǎng)度、位置以及手機(jī)空間非常緊湊的緣故,這就很難實(shí)現(xiàn)。
另一種方法是通過(guò)在連接器附近放置外部ReDriver,讓SoC驅(qū)動(dòng)信號(hào)能夠以較低的擺幅輸出。因?yàn)橥ㄟ^(guò)手機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較低,芯片組和連接器之間信號(hào)路徑產(chǎn)生的EMI得到降低。這意味著干擾減小,可以無(wú)需采用附加屏蔽。由于ReDriver可以放置在連接器旁邊,信號(hào)可以在離開(kāi)手機(jī)時(shí)放大,從而可進(jìn)一步降低EMI。
ReDriver放在連接器附近使得對(duì)這部分進(jìn)行屏蔽更加容易并且成本較低。將系統(tǒng)這樣劃分還能使設(shè)計(jì)人員在布置芯片組、射頻電路和天線時(shí)更加靈活。
此外,將ReDriver放置在手機(jī)邊緣處,還能通過(guò)在ReDriver兩端平衡通道損耗使其更加有效。若信號(hào)調(diào)理功能集成到SoC上,總的通道長(zhǎng)度包括7”走線以及芯片組附近的轉(zhuǎn)換部分。若信號(hào)是由連接器附近的ReDriver放大和調(diào)理的,ReDriver和芯片組之間的任何損耗都可以單獨(dú)處理而不用混合在一起處理,這使設(shè)計(jì)人員能夠獲得更大余量。同時(shí),這也能提升信號(hào)余量,從而支持更長(zhǎng)或更低質(zhì)量的線纜。
[page]
USB開(kāi)關(guān)將一個(gè)USB 3.0接口擴(kuò)展至多個(gè)
在采用USB作為接口標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用中,需要采用USB開(kāi)關(guān)對(duì)USB信號(hào)進(jìn)行連接和路由。設(shè)計(jì)人員采用USB開(kāi)關(guān),只需對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,而無(wú)需重新開(kāi)發(fā)新的系統(tǒng),從而能夠幫助降低設(shè)計(jì)周期。例如,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試應(yīng)用中,USB開(kāi)關(guān)能為調(diào)試提供可選路徑,而無(wú)需影響設(shè)備工作。
USB開(kāi)關(guān)(多路復(fù)用/解復(fù)用器,Mux/De-Mux)是一種雙向器件,從多路USB輸入信號(hào)中選擇一路(USB 3.0為Tx+、Tx-/Rx+、Rx-)傳輸?shù)絾胃€路,或者是反方向傳輸。USB開(kāi)關(guān)采用帶電荷泵的NMOS管設(shè)計(jì);電荷泵能夠幫助提升柵極電壓,避免輸出電壓受閾值鉗位(圖4、圖5)。
3dB帶寬:3dB帶寬一般指設(shè)備在可接受損耗下能夠路由的最大頻率信號(hào)。要使USB 3.0信號(hào)能夠在5Gbps速率下理想工作,工作頻率應(yīng)大于2.5GHz。頻率越高,系統(tǒng)性能越好。Pericom提供的USB 3.0開(kāi)關(guān),其3dB帶寬高達(dá)10.6GHz。
導(dǎo)通電阻及Ron平整度:導(dǎo)通電阻(Ron)是漏極和源極之間開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電阻。Ron應(yīng)盡可能低,以在吞吐過(guò)程中做到幾乎無(wú)能量損耗。Ron平整度是導(dǎo)通電阻在整個(gè)信號(hào)范圍下的變化程度。Ron平整度定義為在指定模擬信號(hào)范圍內(nèi),導(dǎo)通電阻的最大和最小測(cè)量值之差。Ron平整度與失真有關(guān),因此它越低,失真越小。
插入損耗:插入損耗是衡量給定頻率下功率損耗或信號(hào)衰減的指標(biāo)。該指標(biāo)以dB表示,大于1或2dB將使峰值信號(hào)電平衰減,增加上升時(shí)間和下降時(shí)間。Pericom USB 3.0開(kāi)關(guān)的插入損耗在5GHz時(shí)為-1.3dB。
返回?fù)p耗:返回?fù)p耗一般是由于電路間的阻抗失配而導(dǎo)致的。返回?fù)p耗越低越好,具有較好返回?fù)p耗性能的開(kāi)關(guān)能夠確保開(kāi)關(guān)的最優(yōu)功率傳輸。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回?fù)p耗為-30dB。
關(guān)斷隔離:關(guān)斷隔離是關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)從鄰近導(dǎo)通狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)捕獲的噪聲大小。在較高頻率下(如5Gbps或2.5GHz的USB 3.0、8Gbps或4GHz的PCIe 3.0),隔離變得更加重要。較好的隔離可降低信號(hào)受其他通道信號(hào)的影響,維持被測(cè)信號(hào)的完整性,降低系統(tǒng)測(cè)量的不確定性。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的關(guān)斷隔離為-26.7dB。
串?dāng)_:串?dāng)_是電路之間信號(hào)耦合的程度。串?dāng)_通常是由一個(gè)電路(電路的一部分或者通道)受另一個(gè)電路不期望的電容、電感或電導(dǎo)性耦合所引起的。較高的串?dāng)_會(huì)使信號(hào)劣化。
PI3USB304在2.5GHz下的串?dāng)_為-38dB。
ESD保護(hù):ESD保護(hù)是USB開(kāi)關(guān)的一項(xiàng)重要功能。標(biāo)準(zhǔn)的USB開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)成能承受高達(dá)±2kV的人體模型(HBM)放電。設(shè)計(jì)人員可在外部增加附加的ESD保護(hù),但是這會(huì)犧牲寶貴的電路板面積,對(duì)輸入/輸出線路增加電容。因此,Pericom USB開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)成能夠承受高達(dá)±8kV的ESD。
過(guò)壓保護(hù):過(guò)壓保護(hù)意味著確保開(kāi)關(guān)能夠承受模擬輸入上超過(guò)電源的指定電壓。Pericom的USB開(kāi)關(guān)具有5V保護(hù)。
[page]
討論完設(shè)計(jì)USB開(kāi)關(guān)時(shí)應(yīng)注意的功能和關(guān)鍵指標(biāo),這里再介紹一些USB3.0的具體應(yīng)用。
WiFi內(nèi)存是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線設(shè)備,主要由三個(gè)簡(jiǎn)單模塊組成:集成WiFi模塊、MCU和內(nèi)置內(nèi)存(HDD)。WiFi內(nèi)存采用USB 3.0開(kāi)關(guān),在HDD和通過(guò)WiFi模塊或USB端口連接的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)(圖7)。
在筆記本擴(kuò)展底座應(yīng)用中,USB 3.0開(kāi)關(guān)可用于在筆記本USB端口和擴(kuò)展底座USB連接器之間實(shí)現(xiàn)切換(圖4)。在該應(yīng)用中使用USB 3.0 ReDriver,還可幫助恢復(fù)PCB、線纜和連接器上的信號(hào)完整性問(wèn)題。
KVM開(kāi)關(guān)(KVM是“鍵盤、視頻和鼠標(biāo)”的縮寫)是一種使用戶能夠通過(guò)USB接口,使用一個(gè)或多個(gè)鍵盤、視頻監(jiān)視器和鼠標(biāo)控制多臺(tái)計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備。USB開(kāi)關(guān)使USB 3.0設(shè)備(鍵盤或鼠標(biāo))能夠在兩個(gè)USB主機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行選擇,或者在兩個(gè)USB 3.0設(shè)備之間共享USB 3.0主機(jī)系統(tǒng)。
相關(guān)閱讀:
USB 3.0和HDMI的ESD全面保護(hù):超低電容TVS二極管陣列
基于AZ1065的USB 3.0介面ESD防護(hù)設(shè)計(jì)
實(shí)測(cè)USB 3.0:那些不得不說(shuō)的癥結(jié)