高速USB 2.0开关TS3USB31E：设计与应用指南

在电子设备设计中，高速信号的切换与传输至关重要。今天，我们就来深入了解一款专为高速USB 2.0信号切换设计的开关——TS3USB31E。

文件下载：ts3usb31e.pdf

一、TS3USB31E概述

TS3USB31E是一款1:1 SPST高带宽开关，它被精心设计用于手机和消费类应用中高速USB 2.0信号的切换。像手机、数码相机，以及带有集线器或USB I/O有限的控制器的笔记本电脑等设备，都能看到它的身影。它的带宽高达1100 MHz，能够让信号以最小的边缘和相位失真通过。而且，这个开关是双向的，对高速信号几乎没有衰减。它具备低比特间偏差和高通道间噪声隔离的特性，与高速USB 2.0（480 Mbps）等多种标准兼容。

二、TS3USB31E的特性亮点

2.1 电源与控制兼容性

• 宽电源电压范围： $V_{CC}$ 工作电压范围为2.25 V 到4.3 V，能适应不同的电源环境。
• 控制引脚兼容性：其控制引脚输入与1.8 - V兼容，方便与其他低电压设备集成。

2.2 低功耗与高性能

• 低导通电阻：最大导通电阻 $r{on }$ 为10 Ω，典型的通道匹配 $Delta r{on }$ 小于0.35 Ω，能有效减少信号传输过程中的损耗。
• 低电容：典型的导通状态输入 - 输出电容 $C_{io(ON)}$ 为6 pF，有助于提高信号的传输速度。
• 低功耗：最大功耗仅为1 μA，符合节能设计的需求。

2.3 出色的ESD保护性能

该开关在ESD性能测试中表现优异，人体模型（HBM）测试可达8000 V（A114 - B，Class II），充电设备模型（CDM）为1000 V（C101），机器模型（A115 - A）为250 V。其COM端口到GND的人体模型ESD性能更是高达15000 V。

2.4 小封装设计

采用8引脚TQFN封装（1.5 mm × 1.5 mm），节省了PCB空间，适合小型化设备的设计。

三、TS3USB31E的引脚配置与功能

PIN	NO.	I/O	DESCRIPTION
OE	1	I	总线开关使能，设置为高电平可隔离 $D{pm}$ 引脚与 $HSD{pm}$ 引脚；设置为低电平可连接 $D{pm}$ 引脚与 $HSD{pm}$ 引脚
D+	3	I/O	数据端口
D-	5	I/O	数据端口
HSD+	2	I/O	数据端口
HSD-	6	I/O	数据端口
N.C.	7		无连接，此引脚必须浮空或接地
GND	4		接地
Vcc	8	I/O	电源电压

四、TS3USB31E的规格参数

4.1 绝对最大额定值

在使用过程中，要注意各项参数的绝对最大额定值，如电源电压 $V{CC}$ 为 - 0.5 V到7 V，控制输入电压 $V{IN}$ 为 - 0.5 V到7 V等。超出这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

4.2 ESD额定值

ESD额定值体现了器件的抗静电能力，人体模型（HBM）为 ±8000 V，充电设备模型（CDM）为 ±1000 V。

4.3 推荐工作条件

为了保证设备的正常运行，建议在推荐工作条件下使用。例如，电源电压 $V_{CC}$ 为2.25 V到4.3 V，工作温度范围为 - 40 °C到85 °C。

4.4 其他参数

文档中还给出了热信息、电气特性、动态电气特性和开关特性等详细参数。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。例如，典型的带宽（ - 3 dB）为1100 MHz，能满足高速信号传输的需求。

五、TS3USB31E的应用与设计要点

5.1 应用场景

TS3USB31E主要用于在USB总线不使用时将其隔离，防止不同USB设备之间相互干扰。它可以路由USB 1.0、1.1和2.0的信号，具有广泛的应用前景。

5.2 设计要求与步骤

• 遵循标准：设计时需遵循USB 1.0、1.1和2.0标准的要求。
• 控制引脚处理：建议将数字控制引脚OE上拉到 $V_{CC}$ 或下拉到地，避免因引脚浮空导致开关位置异常。
• 外部组件：该开关可以在没有任何外部组件的情况下正常工作，但为了防止信号反射，建议将未使用的引脚通过50 - Ω电阻接地。同时，N.C引脚必须保持浮空。

5.3 布局注意事项

• 电容放置：将电源旁路电容尽可能靠近 $V_{CC}$ 引脚放置，避免靠近D + 和D - 走线。
• 走线长度与阻抗匹配：高速D + 和D - 走线长度必须相等且不超过4英寸，其阻抗要与电缆的特性差分阻抗匹配，以保证最佳性能。
• 减少信号反射：高速USB信号走线应尽量减少过孔和拐角的使用。如果必须使用过孔，要增大其周围的间隙尺寸。当需要转弯时，使用两个45°转弯或圆弧代替90°转弯。
• 避免干扰源：不要将USB走线布置在晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关稳压器、安装孔、磁性设备或使用时钟信号的IC附近。
• 避免Stub：高速USB信号应避免出现Stub，如果无法避免，Stub长度必须小于200 mm。
• 多层板设计：建议使用至少四层的印刷电路板，将大部分信号走线布置在同一层，紧邻的层为完整的接地平面。

六、TS3USB31E的文档与支持

6.1 相关文档

包括《High Speed Layout Guidelines》和《USB 2.0 Board Design and Layout Guidelines》等，这些文档为工程师提供了更详细的设计指导。

6.2 文档更新通知

通过ti.com上的设备产品文件夹，注册“Alert me”可以接收文档更新的每周摘要通知。

6.3 社区资源

TI E2E™ 在线社区和设计支持平台为工程师们提供了交流和解决问题的渠道。

6.4 ESD注意事项

由于该器件的内置ESD保护有限，在存储或处理时，应将引脚短接或放置在导电泡沫中，以防止MOS栅极受到静电损坏。

TS3USB31E以其出色的性能和丰富的特性，为高速USB 2.0信号切换提供了可靠的解决方案。在设计过程中，工程师们需要充分了解其规格参数和应用要点，合理布局，以确保设备的稳定性和可靠性。大家在使用TS3USB31E的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。