应用笔记 4131

改善USB 2.0开关系统的响应特性


摘要 : 本应用笔记介绍如何利用MAX4906EF实现一个超低功耗、低成本的双USB 2.0端口切换开关。这个电路在几乎没有增加电流消耗的情况下为USB设计增加了一个2:1开关,从而使几个插座可以重复使用一个收发器。

概述

许多USB系统需要复用端口,但并不需要所有端口同时工作。比如,某个消费类产品在前、后面板上都有用来读取存储器的端口,但在某个时间只使用一个端口,这是一种比较容易接受的方式。这种情况下,最好使用USB开关,因为它只需要极低的功耗(几乎为零),并且不会在器件和互联设备间引入额外的电平。

本应用笔记介绍如何利用MAX4906EF实现USB 2.0兼容*的开关系统。

USB 2.0兼容性

USB 2.0 (高速USB)要求数据速率达到480Mbps,并且系统为了保证兼容性还需通过眼图测试。眼图显示了D+和D-信号线的传输有效性,图形类似于人的眼睛。图1提供了一个USB 2.0规范要求的眼图模板,如果器件输出通过了眼图测试,那么这个系统就符合规范要求。*

图1. 通用串行总线规范版本2.0所要求的眼图模板(参见规范中的图7–13)
图1. 通用串行总线规范版本2.0所要求的眼图模板(参见规范中的图7–13)

假定被测系统在电路板上有一个开关,输出端有一个连接器,那么,信号眼图必须落在眼图模板之外。眼睛的开度是±400mV,容许2dB的轻微损耗。MAX4906EF USB 2.0开关具有低至0.5dB的频率损耗,对眼图开度没有影响。

下一个需要考虑的问题是系统带宽,左右两侧的斜线给出了系统容许的上升、下降时间。D+ (同相数据)信号必须通过并且不能接触到六边形。由于系统基本上是个RC滤波器,所以初看上去很容易计算。如果假定系统有良好的45Ω匹配(根据USB规范),并且采用双端接,信号将类似于:

V = V0 × (1 - e-t/RC),其中R = 22.5

D+曲线需要显示出从V = 50%至V = 100%的轨迹;根据规范要求,最左侧点是7.5% UI (单位间隔)或(0.075) × 2.08ns,或156ps。

将MAX4906EF应用在一块理想的电路板时,它可以达到这些要求,很容易通过眼图测试。

非理想电路板引入的电容问题

当系统设计人员将MAX4906EF放置在一块非理想的电路板时,也许会出现一些问题。通常设计人员无权决定使用何种类型的电路板,这由采购人员决定,或取决于系统中的其它电路板。如果设计人员对诸如材料、板层厚度、电路板的介电常数等提出约束条件,就会导致成本过高,或无法按时交付使用。所以设计人员几乎没有选择余地,只能利用公司已经使用的电路板类型。

理想情况下,电路板可以提供很好的传输线。如果板层厚度可以控制,而且可以完全指定线宽和线间距,可以得到近乎于理想的传输线引线。对于高频电路板设计难度较大,具有一些特殊要求:走线需要有4mil (0.1mm)的厚度、5mil (0.125mm)的宽度、间隔5mil。几乎所有PCIe®板都由介电常数约等于4.4的FR4材料制成。如果不是板层很厚或者引线很宽,几乎不可能得到真正的90Ω到100Ω的平衡传输线。

电路板设计人员通常受限于电路板和最多四层板的板层限制。如果板层均匀分布,板层尺寸固定,几乎所有电路板材料都是62mil (1.5mm),这样,绝缘厚度大约为18.6mil (0.47mm)。如果引线采用一般间距(10mil至20mil),引线的特征阻抗将远远高于期望值,达到180Ω (几乎是目标值的两倍)。如果引线很短(< ¼λ),这些引线将会增大系统电容。

构建USB 2.0兼容*开关

由于采用了坚固的输入架构,MAX4906EF具有±15kV HBM (人体模式) ESD保护。即使该结构增大了器件电容,但省去了二极管或其它ESD抑制器件,有效降低了系统的总成本。由于没有加入其它器件,通常还会降低系统的总体电容。

我们知道MAX4906EF在理想单板上通过了眼图测试,但是对于很多标准电路板,眼图开度可能不理想。低成本MAX4906EF具有较高的ESD保护,能够满足几乎所有USB 2.0的要求,并向后兼容USB 1.1 (低/全速),但还需要完成一些工作来提高系统的响应特性。

在器件上串联一个分立电感,可以在一定程度上抵消容抗,增大眼图开度。如果增加足够大的电感,补偿器件电容以及电路板其它寄生电容的影响,从而峰化240MHz的三次谐波,就不会对低频信号有太多影响,并且可以提高系统性能。假定MAX4906EF和电路板电容总计为12pF,需要峰化500MHz的响应时,串联一个很小的电感即可满足要求。

通过在电路上串联一个小电感(5nH到15nH),即可提高系统的响应特性。小电感、低Q值即可获得较宽的峰顶,小电感对基频几乎没有影响。

Maxim通过仿真确定外加电感对系统响应的影响。利用MATLAB®软件生成模拟USB信号的伪随机代码,提供信号源和负载端接。测试结果非常好,眼图左侧增加了裕量,这是最难通过眼图模板测试的部分。图2所示是在电容为12pF、没有串联电感的情况下,MAX4906EF生成的眼图。

图2. MAX4906EF生成的眼图,12pF电容、没有串联电感
图2. MAX4906EF生成的眼图,12pF电容、没有串联电感

系统能够“通过”眼图模板的测试,但很困难,左侧第1测试点几乎没有任何裕量,上升时间从信号的50%到100%明显变缓,下降时间(右侧)从0到50%非常快。x轴为一个UI或2083ps,图中第1测试点与眼图起始位置相距0.375 UI或780ps。这一点眼图开度必须大于300mV或幅度的75%。如果电路板电容稍微增大一点,或器件电容不是12pF,而是15pF,那么系统就无法通过眼图测试。图3所示仿真结果是在器件串联了18nH的情况下测试的。

图3. 串联18nH后MAX4906EF生成的眼图
图3. 串联18nH后MAX4906EF生成的眼图

MAX4906EF串联18nH电感后,较难通过测试的第1点有了更多空间。通过这个电感,高频峰化很明显,而且信号强度也有所增加。为了实现最佳性能,设计者根据具体电路板,可以通过实验在10nH到20nH间选取电感值。

图4. 构建USB 2.0开关的完整电路图,本电路经过安装与测试,可以明显提高系统性能,实际测试结果与仿真结果非常类似
图4. 构建USB 2.0开关的完整电路图,本电路经过安装与测试,可以明显提高系统性能,实际测试结果与仿真结果非常类似

结论

为了达到标准要求,宽带高频电路在实际设计常常会遇到一些设计挑战,不合理的电路板布线会增大电容,造成系统工作混乱并降低USB通信的性能。

本应用笔记详细介绍了利用MAX4906EF实现USB 2.0兼容*开关系统的电路。在电路上增加一个串联电感,就能够以很低成本峰化高频响应。从电路的本质上讲,电感值并不需要很精确,数值在±20%范围内即可。系统设计者可以添加分立的电感或在电路板上用蛇形走线模拟所需要的电感,此时不会对系统增加额外成本。MAX4906EF在几乎没有增大电流损耗的前提下为USB设计增加了一个2:1开关,可以使一个收发器在几个插座间公用。这个方案构建了一个超低功耗、低成本、两端口USB 2.0。

*本应用笔记讨论了如何改善开关的频率响应,以满足USB 2.0的眼图要求。但是,开关系统是否符合USB 2.0规范最终还取决于系统的架构。

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