深入解析TUSB213 USB 2.0高速信号调节器

在当今的电子设备中，USB接口已经成为了数据传输和设备连接的标准配置。然而，随着传输距离的增加和信号质量的下降，如何保证USB高速信号的完整性成为了一个关键问题。TUSB213作为一款专门为补偿传输通道中ISI信号损失而设计的USB高速（HS）信号调节器，为解决这一问题提供了有效的解决方案。

文件下载：tusb213.pdf

一、TUSB213的特性

兼容性强

TUSB213与USB 2.0、OTG 2.0和BC 1.2兼容，这使得它可以广泛应用于各种支持USB协议的设备中，确保设备之间的稳定通信。

灵活配置

它支持引脚搭接或通过I2C进行配置，为工程师提供了更多的设计灵活性。无论是在简单的应用场景中通过引脚搭接快速配置，还是在复杂的系统中通过I2C进行精确控制，都能满足需求。

多信号支持

支持LS、FS和HS信号传输，并且采用了对USB低速（LS）和全速（FS）信号无感知的设计（该设计正在申请专利）。这意味着LS和FS信号特征不受TUSB213的影响，而该器件会对HS信号进行补偿，确保高速信号的传输质量。

低功耗设计

具有超低USB断开和关断功耗，有助于延长设备的电池续航时间，提高能源利用效率。

可扩展性好

是一种可扩展解决方案，支持用于高损耗应用的菊花链器件，能够满足不同应用场景的需求。此外，D1P/M和D2P/M可互换且主机/设备不可知，方便系统设计。

电缆长度支持

支持长达5米的通道前或2米的通道后电缆长度，通过外部下拉电阻器实现四种可选交流升压设置，同时具备直流升压与交流升压功能，可实现最佳信号完整性。

二、应用领域

计算机设备

适用于笔记本电脑、台式机和扩展坞等计算机设备，能够有效补偿USB信号在传输过程中的损失，确保高速数据传输的稳定性。

移动设备

在手机、平板电脑等移动设备中，TUSB213可以提高USB接口的性能，增强设备与外部设备之间的连接稳定性。

其他设备

还可应用于有源电缆、电缆扩展器、背板、电视等设备，为这些设备的USB接口提供信号调节功能。

三、详细说明

功能概述

TUSB213的主要功能是补偿传输通道中的ISI信号损失，帮助设备通过USB电气合规性测试。它通过可编程信号交流升压和直流升压，可精调器件性能，从而优化连接器上的高速信号。

功能框图

从功能框图来看，TUSB213包含低和全速旁路、ESD保护、高速补偿和USB收发器等模块。其中，低和全速旁路模块确保LS和FS信号不受影响，而高速补偿模块则对HS信号进行补偿。

特性描述

• EQ引脚：用于配置设备的交流升压，通过不同的外部下拉电阻值可设置四个级别的交流升压。
• DC_BOOST引脚：是一个三电平引脚，用于设置设备的直流增益，可根据不同的输入电平选择不同的直流升压设置（40mV、60mV或80mV）。

设备功能模式

• 低速（LS）模式：TUSB213自动检测到LS连接后，不启用信号补偿，CD引脚置高。
• 全速（FS）模式：自动检测到FS连接后，同样不启用信号补偿，CD引脚置高。
• 高速（HS）模式：自动检测到HS连接后，会根据DC_BOOST引脚的配置和EQ引脚的外部下拉电阻来启用信号补偿，CD引脚置高。
• 关机模式：当RSTN引脚置低时，TUSB213被禁用。在关机模式下，USB通道仍可正常工作，但没有信号补偿，CD引脚也不会提供通道状态指示。
• I2C模式：支持100kHz的I2C通信，用于设备配置、状态回读和测试。在该模式下，可通过I2C读写事务访问特定的寄存器。

四、设计与应用

典型应用

在典型应用中，D2P和D2M面向USB连接器，D1P和D1M面向USB主机或集线器。当然，根据实际需求，方向也可以反转。

设计要求

在设计过程中，需要考虑一些参数，如VCC电压范围（4.4V - 5.5V）、是否需要I2C支持、交流升压和直流升压的设置等。

详细设计步骤

1. 复位信号：TUSB213需要一个有效的复位信号，确保数字电路正确初始化。如果RSTN引脚不能由微控制器或其他电路保持低电平直到电源斜坡稳定，则需要在RSTN引脚和地之间连接一个外部电容。
2. VREG引脚：VREG引脚是内部LDO输出，需要连接一个0.1μF的外部电容到地以稳定核心。
3. 升压设置：理想的交流升压和直流升压设置取决于目标平台的信号链损耗特性。一般建议从交流升压等级0开始，逐步增加；直流升压设置也建议先从等级1开始。为了让TUSB213识别升压设置的变化，需要对RSTN引脚进行切换操作。
4. 设备放置：设备的放置位置也很重要，根据不同的应用目标，建议将其放置在靠近测量点、靠近USB PHY或每个USB互连的中间位置。

测试程序

在构建USB高速眼图时，需要遵循特定的测试程序，根据应用场景的不同（主机侧应用或设备侧应用），测试步骤略有差异，但总体来说都包括配置升压设置、上电或切换RSTN引脚、连接测试设备、发送USB TEST_PACKET以及执行示波器USB合规软件等步骤。

五、规格参数

绝对最大额定值

包括电源电压范围、I/O引脚电压范围和存储温度等参数，超出这些额定值可能会导致设备永久性损坏。

ESD额定值

该设备具有一定的静电放电（ESD）防护能力，其人体模型（HBM）和充电设备模型（CDM）的ESD额定值分别为±2000V和±500V。

推荐工作条件

规定了电源电压、环境温度和结温等参数的推荐工作范围，确保设备在这些条件下正常工作。

电气特性

详细列出了不同工作模式下的电流消耗、输入输出电压和电流等参数，为工程师在设计电路时提供了重要参考。

开关特性

包括DxP/M的比特率、上升时间和下降时间等参数，反映了设备的信号切换性能。

典型特性

通过一些典型的眼图展示了TUSB213在不同电缆长度和升压设置下的信号传输效果，直观地体现了其对信号完整性的改善作用。

六、电源供应与布局建议

电源供应

在电源上电时，RSTN引脚和电源斜坡的相互作用可能会导致数字电路设置不正确。因此，建议在电源斜坡稳定到4.4V或更高后再启用设备。如果无法通过微控制器或其他电路将RSTN引脚保持低电平直到电源斜坡稳定，则需要在RSTN引脚和地之间连接一个外部电容，其RC时间常数应大于电源斜坡时间的五倍。

布局

在PCB布局时，建议将高速信号走线与TUSB213放置在同一表层，避免信号过孔。同时，应使用阻抗控制走线，以保持整个信号路径的90Ω差分阻抗，符合USB 2.0规范的要求。

七、器件和文档支持

文档更新通知

用户可以在TI.com上的器件产品文件夹中注册接收文档更新通知，以便及时了解产品信息的变化。

社区资源

TI提供了E2E在线社区和设计支持等资源，方便工程师之间的协作和交流，获取更多的技术支持和帮助。

商标和静电放电警告

需要注意的是，E2E是德州仪器的商标，其他商标归各自所有者所有。同时，ESD可能会损坏集成电路，在处理和安装过程中应采取适当的预防措施。

TUSB213作为一款功能强大的USB 2.0高速信号调节器，具有多种特性和优势，能够有效解决USB高速信号传输中的信号损失问题。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计需求和应用场景，合理选择和配置TUSB213，以确保设备的性能和稳定性。你在使用TUSB213的过程中是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。