USB 3.0接口应用的设计考虑因素有哪些？

　　USB 3.0正逐渐成为最有前景的数据传输接口之一。相比USB 2.0，USB 3.0速率快10倍，达5.0Gbps；提供异步机制，能够同步收发数据；并提供了高达900mA的电源输出。3D摄像头等跨笔记本电脑、PC、平板电脑和智能手机的新应用正使USB 3.0变成下一代系统I/O互联的事实标准。
　　在系统中设计USB 3.0时，需要考虑两个重要问题。USB 3.0作为一种高速传输接口，信号完整性是系统设计人员遇到的首要问题——它会降低传输信号的质量。信号调理利用加重和均衡技术校正抖动和衰减损耗，为信号完整性恢复提供了解决方案。在线路中增加补偿器件（如ReDriver），能够对通道内其余部分产生的衰减进行补偿。
　　扩展USB 3.0应用的另一个重要方法是采用USB开关器件。设计人员要想加快上市时间，需要能够在其现有设计中灵活运用USB 3.0/2.0接口。采用USB开关，将无需对USB 3.0进行调试，从而能够帮助快速实现这一目标。
　　用USB ReDriver延长USB信号的传输距离
　　设计人员在设计USB 3.0系统时所面临的一个挑战是，如何确保高速传输的信号能够在经历最长的距离后，仍然保持良好的质量。例如在正在兴起的PC机3D摄像头应用中，3D数据在USB 3.0 3D摄像头和USB 3.0主机之间传输时，有可靠的USB 3.0连接、接收端均衡损耗补偿、有效的USB 3.0电源管理以及最低的误码率。随着USB接口在移动设备上变得流行，新的Type-C接口推向市场；Type-C连接器及带Type-C开关的Type-C线缆的插入损耗，将进一步降低USB 3.0高速信道的信号完整性质量。
　　保持信号完整性一般通过降低发射器与接收器之间的通信损耗来实现。然而，随着信号频率增加，PCB走线、连接器、过孔和线缆上的损耗也将增加。高速信号也更容易受到环境噪声的影响。根据特定的使用协议，总损耗会超出控制器所能可靠传输数据的能力（即至少将误码率维持在10-12）。
　　一般，FR4 PCB材料传输速率每增加10Gbps，通道损耗就会增加约1dB。连接器和过孔损耗也要算进来。
　　对于开发人员利用高速接口开发系统的情况，有两个指标正成为影响系统完整性的重要指标：功率和工艺尺寸。复杂的系统级芯片（SoC）在单芯片上集成了处理器、I/O、内存以及其他功能。为了提高处理性能，实现较高的功率效率，SoC将工作电压降低，并采用较小尺寸设计。这些器件与前代系统引脚兼容，以简化在现有设计中的集成。因此，设计人员能够以较低的成本获得较好的性能和功耗。
　　然而，工艺尺寸缩小却存在SoC驱动信号降低的问题。比如，手机和其他小尺寸系统的芯片组制造商面临的问题是，这些电池供电器件需要以相同功率提供更好的性能，以至于不会影响电池寿命。然而，工作在较高频率会增加功耗。处理器要降低功耗影响，就需要降低工作电压。另一方面，通信通道的输出电压已定。然而，SoC内部的不同功能模块都是针对超低功耗而设计的，整体设计可能限制可用驱动功率，并极大降低高速链路的驱动输出，继而降低驱动长度（一些SoC不可能针对超低功率设计，仍然会维持高功率驱动输出）。
　　在5Gbps的信号速率下，就能看到工艺尺寸降低对信号完整性的影响。这些影响包括：较低的工作电压、EMI以及走线/线缆长度。例如，当SoC迁移到下一个工艺节点时，集成USB控制器的驱动长度可能降低一半。 因此，若SoC与前代引脚兼容，它将无法做到驱动兼容。通道损耗在信号驱动降低的情况下可能变得太大，这样，采用前代SoC设计的符合规范的通信通道迁移到下一代器件时，就有可能变得不可靠了。
　　为了验证具有高速接口的设备能够通过一致性测试，许多开发人员通过在接收端测量信号眼图来测试信号完整性。
　　图1（A）中，发送端信号眼图很好地打开，并且信号抖动和衰减在可接受范围内。然而，通道内走线（标准FR4 PCB在12Gbps速率下损耗约为1.2dB/in）、过孔（每个达2dB）、线缆（根据线缆质量，在1.9~4.4dB/m之间）和连接器（0.5~1.5dB）所产生的总信号损耗太大，接收端信号眼图关闭，误码率显著上升（图1（B））。这降低了通道的可靠性和吞吐率。信号调理利用加重和均衡技术校正抖动和衰减损耗，为信号完整性恢复提供了一种方法。在通信通道内引入ReDriver或中继器后，ReDriver会对接收信号所产生的损耗进行校正，并对通道剩余部分会产生的损耗进行补偿。在采用ReDriver对信号进行调理后，接收端的信号眼图打开，信号和数据完整性得以恢复（图2）。这样，信号能够可靠传输更远距离，连接器的个数可以增加。
　　
　　图1：接收端信号眼图很好地打开，表明信号抖动和衰减在可接受的范围内（A）。走线、过孔、线缆和连接器的损耗过大导致接收端信号眼图关闭，从而使误码率显著增加，使通道的可靠性和有效吞吐率降低（B）。
　　
　　图2：通信通道使用ReDriver后，ReDriver采用信号调理，通过校正抖动和衰减损耗使信号完整性得到恢复。接收端的信号眼图打开，接口的可靠性和吞吐率得到优化。（A）和（B）为采用ReDriver前后，信号的眼图对比。
　　为获得最好的性能，ReDriver在通道内的理想位置是中点，以将其两端的通道损耗平分。
　　ReDriver提供的信号调理对通信信道是透明的。它不会对数据进行解码或对协议命令进行评估，而是恢复最初信号的完整性，使其通过。ReDriver的参数根据通道表征选取，它将独立于系统的其余部分工作。
　　对于使用线缆的（例如许多消费类电子）应用，信号完整性尤其重要。消费者希望能够如自己希望的那样使用设备。假设用户想要通过线缆将手机连接到电视，线缆至少需要有两米长，才能使连接到电视背后，不至于使用户离屏幕太近而感到不舒适。消费者一般不会参考接口规范，他们买回线缆是希望它能工作。这样，他们买到的线缆可能比系统指定的更长，或者使用质量较差、屏蔽不好的线缆。
　　随着便携设备新应用的增加，对较长和较便宜线缆提供支持的需求将会与日俱增。虽然这些应用可能最终会采用无线通信，但是现在还没到这个时候。例如，在大多数消费者都有可传送视频流的便携设备时，仅有少数电视提供无线连接。因此，保证线缆的信号完整性对消费者来说将是一个重要特性。采用ReDriver延伸长度的“有源”线缆在市场上正不断增加。
　　为了实现最佳性能，ReDriver的输入和输出都要进行表征，以匹配其所放入的实际通道。理想情况下，高速接口应设计成闭合通道或受限制的开放通道，这意味着通道最大长度由通道损耗小于4dB确定。具有数据线的应用通过提供标准的数据线可设计成闭合通道。
　　ReDriver放置需要考虑系统的整个架构。例如，对于许多小尺寸设备，损耗的中点可能在附加线缆的中间位置。在这种情况下，将ReDriver放在离连接器尽可能近的位置，可以实现最好的信号调理。确定最佳位置需作正规的通道分析。更复杂的系统可能要放在不同的位置。
　　SoC架构的一个优势是将应用所需的多个功能集成到一个单芯片中。这种方法的优势很明显，包括功耗、尺寸和价格降低，以及使设计得到简化（因为功能模块的耦合更加紧密）。然而，这对信号驱动带来了不利一面。
　　信号驱动输出较高会产生电磁干扰（EMI），对邻近电路产生不期望的噪声。在SoC的有限区域内，高速接口的EMI会对RF子系统造成破坏。这不仅会降低射频可靠性，还会迫使射频电路消耗更多的功率，以补偿传输距离下降，从而使功耗增加。
　　EMI对系统可靠性的影响取决于系统的总体设计。例如，在手机和平板电脑中，考虑到满足紧凑空间的需求，I/O口线通常是绕过电池布线的。摄像头/USB端口通常设置在系统的顶部和底部——SoC由于MIPI-CSI2接口而放在摄像头附近；SoC与USB端口的连接则通过带专有连接器的柔性印制线（FPC）来实现（图3）。
　　
　　图3：USB 3.0 ReDriver可用于最大限度降低手机内部的电磁干扰（EMI）。其允许调低内核芯片USB 3.0输出摆幅，降低EMI干扰的影响；在信号离开手机时，可增加信号摆幅，并对通道损耗进行补偿。
　　柔性印制线在手机中会形成一根约7”的天线，它还会对系统产生很大干扰。为了降低RF和USB 3.0信号的干扰，需要对接口走线进行屏蔽。但是由于走线长度、位置以及手机空间非常紧凑的缘故，这就很难实现。
　　另一种方法是通过在连接器附近放置外部ReDriver，让SoC驱动信号能够以较低的摆幅输出。因为通过手机的驱动电流较低，芯片组和连接器之间信号路径产生的EMI得到降低。这意味着干扰减小，可以无需采用附加屏蔽。由于ReDriver可以放置在连接器旁边，信号可以在离开手机时放大，从而可进一步降低EMI。
　　ReDriver放在连接器附近使得对这部分进行屏蔽更加容易并且成本较低。将系统这样划分还能使设计人员在布置芯片组、射频电路和天线时更加灵活。
　　此外，将ReDriver放置在手机边缘处，还能通过在ReDriver两端平衡通道损耗使其更加有效。若信号调理功能集成到SoC上，总的通道长度包括7”走线以及芯片组附近的转换部分。若信号是由连接器附近的ReDriver放大和调理的，ReDriver和芯片组之间的任何损耗都可以单独处理而不用混合在一起处理，这使设计人员能够获得更大余量。同时，这也能提升信号余量，从而支持更长或更低质量的线缆。
　　USB开关将一个USB 3.0接口扩展至多个
　　在采用USB作为接口标准的应用中，需要采用USB开关对USB信号进行连接和路由。设计人员采用USB开关，只需对现有设计进行修改，而无需重新开发新的系统，从而能够帮助降低设计周期。例如，在现场调试应用中，USB开关能为调试提供可选路径，而无需影响设备工作。
　　USB开关（多路复用/解复用器，Mux/De-Mux）是一种双向器件，从多路USB输入信号中选择一路（USB 3.0为Tx+、Tx-/Rx+、Rx-）传输到单根线路，或者是反方向传输。USB开关采用带电荷泵的NMOS管设计；电荷泵能够帮助提升栅极电压，避免输出电压受阈值钳位（图4、图5）。
　　
　　图4：在USB开关中，NMOS开关的栅极带有电荷泵。
　　
　　图5：1:2通道USB 3.0开关。
　　选择USB开关时需要考虑8个关键参数：
　　3dB带宽：3dB带宽一般指设备在可接受损耗下能够路由的最大频率信号。要使USB 3.0信号能够在5Gbps速率下理想工作，工作频率应大于2.5GHz。频率越高，系统性能越好。Pericom提供的USB 3.0开关，其3dB带宽高达10.6GHz。
　　导通电阻及Ron平整度：导通电阻（Ron）是漏极和源极之间开关闭合时的电阻。Ron应尽可能低，以在吞吐过程中做到几乎无能量损耗。Ron平整度是导通电阻在整个信号范围下的变化程度。Ron平整度定义为在指定模拟信号范围内，导通电阻的最大和最小测量值之差。Ron平整度与失真有关，因此它越低，失真越小。
　　插入损耗：插入损耗是衡量给定频率下功率损耗或信号衰减的指标。该指标以dB表示，大于1或2dB将使峰值信号电平衰减，增加上升时间和下降时间。Pericom USB 3.0开关的插入损耗在5GHz时为-1.3dB。
　　返回损耗：返回损耗一般是由于电路间的阻抗失配而导致的。返回损耗越低越好，具有较好返回损耗性能的开关能够确保开关的最优功率传输。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回损耗为-30dB。
　　关断隔离：关断隔离是关断状态下的开关从邻近导通状态下的开关捕获的噪声大小。在较高频率下（如5Gbps或2.5GHz的USB 3.0、8Gbps或4GHz的PCIe 3.0），隔离变得更加重要。较好的隔离可降低信号受其他通道信号的影响，维持被测信号的完整性，降低系统测量的不确定性。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的关断隔离为-26.7dB。
　　串扰：串扰是电路之间信号耦合的程度。串扰通常是由一个电路（电路的一部分或者通道）受另一个电路不期望的电容、电感或电导性耦合所引起的。较高的串扰会使信号劣化。PI3USB304在2.5GHz下的串扰为-38dB。
　　ESD保护：ESD保护是USB开关的一项重要功能。标准的USB开关设计成能承受高达±2kV的人体模型（HBM）放电。设计人员可在外部增加附加的ESD保护，但是这会牺牲宝贵的电路板面积，对输入/输出线路增加电容。因此，Pericom USB开关设计成能够承受高达±8kV的ESD。
　　过压保护：过压保护意味着确保开关能够承受模拟输入上超过电源的指定电压。Pericom的USB开关具有5V保护。
　　讨论完设计USB开关时应注意的功能和关键指标，这里再介绍一些USB3.0的具体应用。
　　在笔记本扩展底座应用中，USB 3.0开关可用于在笔记本USB端口和扩展底座USB连接器之间实现切换（图4）。在该应用中使用USB 3.0 ReDriver，还可帮助恢复PCB、线缆和连接器上的信号完整性问题。
　　
　　图6：USB 3.0开关在笔记本扩展底座上的应用。
　　WiFi内存是一种简单的无线设备，主要由三个简单模块组成：集成WiFi模块、MCU和内置内存（HDD）。WiFi内存采用USB 3.0开关，在HDD和通过WiFi模块或USB端口连接的设备之间传输数据（图7）。
　　
　　图7：USB 3.0开关在WiFi内存中的应用。
　　KVM开关（KVM是“键盘、视频和鼠标”的缩写）是一种使用户能够通过USB接口，使用一个或多个键盘、视频监视器和鼠标控制多台计算机的硬件设备。USB开关使USB 3.0设备（键盘或鼠标）能够在两个USB主机系统中进行选择，或者在两个USB 3.0设备之间共享USB 3.0主机系统。
　　本文小结
　　针对3D摄像头和Type-C等应用中的信号完整性问题，Pericom公司提供了一系列有效的低功耗USB 3.0 ReDriver解决方案。Pericom超低功耗USB 3.0 ReDriver能够增强3D摄像头/Type-C应用的眼图余量；确保USB 3.0主机和设备之间的连接可靠，并具有低误码率。该器件已获USB 3.0 Compliance Committee/Workshop完全认证；能够恢复FR4走线、过孔、连接器、FPC线缆和外部USB 3.0线缆对信号的影响；并能在USB 3.0端点处补偿均衡损耗。
　　同时，Pericom公司提供了一系列的USB开关产品，包括1.8V和3.3V供电、2:1和4:1多路复用，以及USB 3.0和USB 2.0混合开关等多种类型。该公司提供的现成解决方案还能够帮助设计人员加快系统设计。