摘要：本應(yīng)用筆記介紹如何利用MAX4906EF實現(xiàn)一個超低功耗、低成本的雙USB 2.0端口切換開關(guān)。這個電路在幾乎沒有增加電流消耗的情況下為USB設(shè)計增加了一個2:1開關(guān)，從而使幾個插座可以重復(fù)使用一個收發(fā)器。

概述

許多USB系統(tǒng)需要復(fù)用端口，但并不需要所有端口同時工作。比如，某個消費類產(chǎn)品在前、后面板上都有用來讀取存儲器的端口，但在某個時間只使用一個端口，這是一種比較容易接受的方式。這種情況下，最好使用USB開關(guān)，因為它只需要極低的功耗(幾乎為零)，并且不會在器件和互聯(lián)設(shè)備間引入額外的電平。

本應(yīng)用筆記介紹如何利用MAX4906EF實現(xiàn)USB 2.0兼容*的開關(guān)系統(tǒng)。

USB 2.0兼容性

USB 2.0 (高速USB)要求數(shù)據(jù)速率達(dá)到480Mbps，并且系統(tǒng)為了保證兼容性還需通過眼圖測試。眼圖顯示了D+和D-信號線的傳輸有效性，圖形類似于人的眼睛。圖1提供了一個USB2.0規(guī)范要求的眼圖模板，如果器件輸出通過了眼圖測試，那么這個系統(tǒng)就符合規(guī)范要求。*


圖1. 通用串行總線規(guī)范版本2.0所要求的眼圖模板(參見規(guī)范中的圖7–13)

假定被測系統(tǒng)在電路板上有一個開關(guān)，輸出端有一個連接器，那么，信號眼圖必須落在眼圖模板之外。眼睛的開度是±400mV，容許2dB的輕微損耗。MAX4906EF USB 2.0開關(guān)具有低至0.5dB的頻率損耗，對眼圖開度沒有影響。

下一個需要考慮的問題是系統(tǒng)帶寬，左右兩側(cè)的斜線給出了系統(tǒng)容許的上升、下降時間。D+ (同相數(shù)據(jù))信號必須通過并且不能接觸到六邊形。由于系統(tǒng)基本上是個RC濾波器，所以初看上去很容易計算。如果假定系統(tǒng)有良好的45Ω匹配(根據(jù)USB規(guī)范)，并且采用雙端接，信號將類似于：

V = V0 × (1 - e-t/RC)，其中R = 22.5

D+曲線需要顯示出從V = 50%至V = 100%的軌跡；根據(jù)規(guī)范要求，最左側(cè)點是7.5% UI (單位間隔)或(0.075) × 2.08ns，或156ps。

將MAX4906EF應(yīng)用在一塊理想的電路板時，它可以達(dá)到這些要求，很容易通過眼圖測試。

非理想電路板引入的電容問題

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計人員將MAX4906EF放置在一塊非理想的電路板時，也許會出現(xiàn)一些問題。通常設(shè)計人員無權(quán)決定使用何種類型的電路板，這由采購人員決定，或取決于系統(tǒng)中的其它電路板。如果設(shè)計人員對諸如材料、板層厚度、電路板的介電常數(shù)等提出約束條件，就會導(dǎo)致成本過高，或無法按時交付使用。所以設(shè)計人員幾乎沒有選擇余地，只能利用公司已經(jīng)使用的電路板類型。

理想情況下，電路板可以提供很好的傳輸線。如果板層厚度可以控制，而且可以完全指定線寬和線間距，可以得到近乎于理想的傳輸線引線。對于高頻電路板設(shè)計難度較大，具有一些特殊要求：走線需要有4mil (0.1mm)的厚度、5mil (0.125mm)的寬度、間隔5mil。幾乎所有PCIe?板都由介電常數(shù)約等于4.4的FR4材料制成。如果不是板層很厚或者引線很寬，幾乎不可能得到真正的90Ω到100Ω的平衡傳輸線。

電路板設(shè)計人員通常受限于電路板和最多四層板的板層限制。如果板層均勻分布，板層尺寸固定，幾乎所有電路板材料都是62mil (1.5mm)，這樣，絕緣厚度大約為18.6mil (0.47mm)。如果引線采用一般間距(10mil至20mil)，引線的特征阻抗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于期望值，達(dá)到180Ω (幾乎是目標(biāo)值的兩倍)。如果引線很短(< ?λ)，這些引線將會增大系統(tǒng)電容。

構(gòu)建USB 2.0兼容*開關(guān)

由于采用了堅固的輸入架構(gòu)，MAX4906EF具有±15kV HBM (人體模式) ESD保護。即使該結(jié)構(gòu)增大了器件電容，但省去了二極管或其它ESD抑制器件，有效降低了系統(tǒng)的總成本。由于沒有加入其它器件，通常還會降低系統(tǒng)的總體電容。

我們知道MAX4906EF在理想單板上通過了眼圖測試，但是對于很多標(biāo)準(zhǔn)電路板，眼圖開度可能不理想。低成本MAX4906EF具有較高的ESD保護，能夠滿足幾乎所有USB 2.0的要求，并向后兼容USB 1.1 (低/全速)，但還需要完成一些工作來提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

在器件上串聯(lián)一個分立電感，可以在一定程度上抵消容抗，增大眼圖開度。如果增加足夠大的電感，補償器件電容以及電路板其它寄生電容的影響，從而峰化240MHz的三次諧波，就不會對低頻信號有太多影響，并且可以提高系統(tǒng)性能。假定MAX4906EF和電路板電容總計為12pF，需要峰化500MHz的響應(yīng)時，串聯(lián)一個很小的電感即可滿足要求。

通過在電路上串聯(lián)一個小電感(5nH到15nH)，即可提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。小電感、低Q值即可獲得較寬的峰頂，小電感對基頻幾乎沒有影響。

Maxim通過仿真確定外加電感對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。利用MATLAB?軟件生成模擬USB信號的偽隨機代碼，提供信號源和負(fù)載端接。測試結(jié)果非常好，眼圖左側(cè)增加了裕量，這是最難通過眼圖模板測試的部分。圖2所示是在電容為12pF、沒有串聯(lián)電感的情況下，MAX4906EF生成的眼圖。


圖2. MAX4906EF生成的眼圖，12pF電容、沒有串聯(lián)電感

系統(tǒng)能夠“通過”眼圖模板的測試，但很困難，左側(cè)第1測試點幾乎沒有任何裕量，上升時間從信號的50%到100%明顯變緩，下降時間(右側(cè))從0到50%非?？臁軸為一個UI或2083ps，圖中第1測試點與眼圖起始位置相距0.375 UI或780ps。這一點眼圖開度必須大于300mV或幅度的75%。如果電路板電容稍微增大一點，或器件電容不是12pF，而是15pF，那么系統(tǒng)就無法通過眼圖測試。圖3所示仿真結(jié)果是在器件串聯(lián)了18nH的情況下測試的。


圖3. 串聯(lián)18nH后MAX4906EF生成的眼圖

MAX4906EF串聯(lián)18nH電感后，較難通過測試的第1點有了更多空間。通過這個電感，高頻峰化很明顯，而且信號強度也有所增加。為了實現(xiàn)最佳性能，設(shè)計者根據(jù)具體電路板，可以通過實驗在10nH到20nH間選取電感值。


圖4. 構(gòu)建USB 2.0開關(guān)的完整電路圖，本電路經(jīng)過安裝與測試，可以明顯提高系統(tǒng)性能，實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果非常類似

結(jié)論

為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，寬帶高頻電路在實際設(shè)計常常會遇到一些設(shè)計挑戰(zhàn)，不合理的電路板布線會增大電容，造成系統(tǒng)工作混亂并降低USB通信的性能。

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了利用MAX4906EF實現(xiàn)USB 2.0兼容*開關(guān)系統(tǒng)的電路。在電路上增加一個串聯(lián)電感，就能夠以很低成本峰化高頻響應(yīng)。從電路的本質(zhì)上講，電感值并不需要很精確，數(shù)值在±20%范圍內(nèi)即可。系統(tǒng)設(shè)計者可以添加分立的電感或在電路板上用蛇形走線模擬所需要的電感，此時不會對系統(tǒng)增加額外成本。MAX4906EF在幾乎沒有增大電流損耗的前提下為USB設(shè)計增加了一個2:1開關(guān)，可以使一個收發(fā)器在幾個插座間公用。這個方案構(gòu)建了一個超低功耗、低成本、兩端口USB 2.0。

*本應(yīng)用筆記討論了如何改善開關(guān)的頻率響應(yīng)，以滿足USB 2.0的眼圖要求。但是，開關(guān)系統(tǒng)是否符合USB 2.0規(guī)范最終還取決于系統(tǒng)的架構(gòu)。