应用笔记 4257

使用MAX4951 SATA双向转接器驱动eSATA电缆


摘要 : 采用增强串行ATA (eSATA),带有外部驱动的计算机系统在性能上实际与内部驱动计算机系统相当,要比USB 2.0快得多。eSATA提供单独的接收/发送通道,速率高达3.0Gbps,而USB 2.0只是简单的480Mbps链路。采用eSATA端口,计算机很容易获得1千兆字节(1TB)或更多的外部数据,就像访问内部驱动器一样方便,而电缆传输距离可以延伸到2m。为进一步适应更长的电缆,eSATA需要比SATA更强的驱动能力。基于这一需求,我们推出了MAX4951 SATA双向转接器以满足eSATA驱动的全面需求。

SATA和以前的数据传输协议

在笔记本电脑和台式计算机中,串行ATA (SATA)硬盘驱动器几乎完全替代了并行ATA (PATA)硬盘驱动器,甚至还用在了某些服务器中。SATA电缆/插座只有7条数据线(图1),而PATA含有40条数据线。SATA电缆非常灵活,不需要进行跳接器设置。内部SATA电缆长达1m,而PATA电缆只有18in长。

图1. PCB上的SATA连接器
图1. PCB上的SATA连接器。

SATA I串行数据流的数据传输速率为150MB/s,并行传输最大速率为133MB/s;SATA II传输速率可以达到300MB/s。SATA最初只是简单地用于替代笨拙的带状连接器,只需要驱动1m长的电缆。开发了名为增强SATA (eSATA)的新标准来驱动笔记本电脑/台式计算机外部硬盘信号,驱动长度达到2m。SATA/eSATA信号类似标准LVDS,在一对100Ω平衡传输线上进行交流耦合。信号电平通常为±500mVP-P。1.5Gbps SATA的应用非常成功,SATA/eSATA很快发展到3.0Gbps,并且还进行了其他改进。

eSATA

eSATA是SATA的扩展。eSATA用于带有外部硬盘驱动器的笔记本电脑/台式计算机,支持2m长的电缆传输。使用eSATA,计算机很容易访问1千兆字节(1TB)甚至更多的外部数据,速度和内部驱动器一样快。由于电缆长度可能长于SATA电缆,因此,eSATA电缆要比SATA需要更强的信号驱动能力。eSATA连接器与SATA连接器略有不同,彼此不能互换。图2所示为SATA和eSATA的电缆端头。两个电缆端头看起来相似,但是SATA电缆端头有一个槽口。

图2. SATA和eSATA电缆连接器
图2. SATA和eSATA电缆连接器。

采用eSATA后,eSATA有两条数据链路,比USB 2.0快出很多倍,系统总性能实际上与内部驱动器相同。

设计人员面临一个两难问题:一方面他们需要客户提供必须的eSATA端口,另一方面,他们首先要确定SATA控制器在母板上的位置,使其能够与设计整体达到最佳匹配。由于电路板限制,而且需要把eSATA连接器放在最容易连接的地方,设计人员不得不跨过电路板进行布线。考虑到连接器的损耗,信号可能达不到eSATA信号电平要求。

MAX4951满足了eSATA的要求

MAX4951 SATA双向转接器的推出有助于解决电路板/电缆损耗问题,完全满足eSATA的驱动要求。MAX4951最合适的位置是靠近eSATA连接器放置。该器件非常小(只有4mm x 4mm),只需3.3V供电,其面向北桥的输入可承受6dB损耗,而且还很容易提供足够的输出以驱动eSATA电缆。

MAX4951含有两个限幅差分放大器,输入和输出都有内部50Ω终端匹配。每个放大器的输出级都可以由2个比特单独进行控制,通常在电路板设计阶段来设置这两个比特。如果电路板驱动eSATA,那么,比特1 (B1)应设置为高电平;如果MAX4951小于6in (< 0.15m),那么,比特0 (B0)应浮空,如果距离≥ 6in,则应设置为高电平。出于设计目的,设计人员可能希望在3.3V至B0之间放置一个1kΩ电阻,如果不需要,则不用安装。

OOB管理

带外(OOB)信号直接在MAX4951中进行处理。OOB信号是特殊的低数据速率命令,主机和驱动器需要利用这一信号进行通信或“握手”。在1.5Gpbs数据速率时,OOB信号由一系列突发构成。可以认为这些突发是其输出通过一个开关的波形(图3)。开关允许多个周期的1.5Gbps信号通过,主机/驱动器对这些突发周期进行解码,完成通信。MAX4951专门针对管理OOB信号提供压制电路。图3所示为突发信号波形—有很多突发周期,每一周期后面是“无信号”时间。

图3. OOB信号
图3. OOB信号。

转接器要在SATA/eSATA环境中正常工作,器件必须能够抑制或者“压制”低于100mV的所有信号。没有压制功能时,转接器会放大系统中的所有噪声,从而损失OOB信号。使用MAX4951后,设计人员不需要针对OOB信号管理来进行任何特殊的工作—该信号直接通过MAX4951,所有噪声都被压制,防止噪声干扰OOB信号。

接收灵敏度管理

设计人员应按照在电路板上产生100Ω平衡走线的规则来布板—布板软件对此提供支持。主机和驱动器侧都应该对MAX4951进行电容耦合。输入信号电平应≥ 200mVP-P。输出电平可以设置为600mVP-P或者900mVP-P

图4所示为MAX4951工作在3.0Gbps以及输入只有200mVP-P时的眼图。通过用户引脚来选择输出。MAX4951提供双向信号支持,在每一方向上,通过连接引脚来选择其输出电平。

图4. MAX4951工作在3.0Gbps以及输入只有200mVP-P时的眼图
图4. MAX4951工作在3.0Gbps以及输入只有200mVP-P时的眼图。

输出电平是900mVP-P,而输入只有200mVP-P。在SATA 600mVP-P限制下,眼图几乎相同。输入即使只有200mVP-P,输出看起来也非常干净。

设计实例

图5中的原理图是笔记本电脑或者台式计算机应用中eSATA 转接器的完整电路。该设计将SATA提升到eSATA电平。采用MAX4951之后,其引脚布局不需要跨过任何导线。这一设计可以用作MAX4951评估套件(EV kit)的基础。

图5. 笔记本电脑/台式计算机设计采用了MAX4951将SATA信号提升到eSATA电平
图5. 笔记本电脑/台式计算机设计采用了MAX4951将SATA信号提升到eSATA电平。

结论

很多新的笔记本电脑/台式计算机设计必须提供eSATA驱动支持。由于大部分设计人员无法控制北桥,他们必须采用某类主动转接器来解决信号损耗问题。MAX4951 转接器可接受经过6dB以上衰减的最小SATA输出电平,产生的输出信号满足eSATA要求。对转接器进行布板,使输入和输出直接通过,不会有交叉,不需要专门处理过孔或者其他布板问题。唯一增加的元件是几个旁路电容和耦合电容。MAX4951匹配了主机传输线,eSATA非常干净的输出能够通过2m电缆驱动外部eSATA硬盘驱动器。