德州仪器TS3USB3031——高速开关的优质之选

整体概述

在电子设备不断追求小型化、高速化的今天，一款性能卓越的开关芯片显得尤为重要。德州仪器（TI）的TS3USB3031就是这样一款值得关注的产品，它是一款2通道、1:3复用器，将高速移动高清链路（MHL）、移动显示端口（MyDP）开关和USB 2.0高速（480Mbps）开关集成在同一个封装中，为系统设计师节省了宝贵的电路板空间，同时减少了多个连接器的使用。

文件下载：ts3usb3031.pdf

产品特性

电气性能

• 宽电压范围：(V_{CC})范围为2.5V至4.3V，能适应多种电源环境。
• 低导通电阻：MHL开关的(R{ON})（典型值）为5.5Ω，USB开关的(R{ON})（典型值）为4.5Ω，低导通电阻有助于减少信号传输过程中的损耗。
• 低电容：MHL开关的(C{ON})（典型值）为1.3pF，USB开关的(C{ON})（典型值）为1pF，低电容可以降低信号的延迟和失真。
• 低功耗：典型电流消耗仅为28µA，对于对功耗敏感的移动设备来说非常友好。

特殊特性

• (IOFF)保护：在掉电状态（(V_{CC}=0V)）下，能有效防止电流泄漏，保护设备和系统。
• 1.8V兼容控制输入：SEL控制输入与1.8V逻辑兼容，方便与各种处理器接口。
• 过压耐受：所有I/O引脚无需外部组件即可承受高达5.5V的过压，增强了设备的可靠性。

ESD性能

• 人体模型（HBM）：2kV，能有效抵抗人体静电放电的影响。
• 带电设备模型（CDM）：1kV，提高了设备在生产和使用过程中的抗静电能力。

封装形式

采用12引脚VQFN封装（1.8mm × 1.8mm，0.4mm间距），尺寸小巧，适合用于空间有限的移动设备。

应用场景

TS3USB3031的应用场景非常广泛，包括智能手机、平板电脑、移动电话、便携式仪器和数码相机等。在这些设备中，它可以实现USB 2.0高速数据传输和MHL高清视频输出的切换，为用户带来更好的使用体验。

详细规格

绝对最大额定值

• 电源电压（(V_{CC})）：-0.3V至5.5V
• 输入/输出直流电压（(V_{I/O})）：-0.3V至5.5V
• 输入/输出端口二极管电流（(I_{K})）：-50mA
• 数字输入电压（(V_{I})）：-0.3V至5.5V
• 数字逻辑输入钳位电流（(I_{IK})）：-50mA
• 连续开关直流输出电流（(I_{I/O})）：60mA
• 存储温度（(T_{stg})）：-65°C至150°C

推荐工作条件

• 电源电压（(V_{CC})）：2.5V至4.3V
• 模拟电压（(V_{I/O})）：0V至3.6V
• 数字输入电压（(V_{I})）：0V至(V_{CC})
• 电源斜坡时间要求（(T_{RAMP})）：100至1000µs/V
• 峰值开关直流输出电流（(I_{I/O,PEAK})）：150mA
• 工作环境温度（(T_{A})）：-40°C至85°C

热信息

• 结到环境热阻（(R_{θJA})）：160.8°C/W
• 结到外壳（顶部）热阻（(R_{θJC(top)})）：95.5°C/W
• 结到电路板热阻（(R_{θJB})）：91.2°C/W

功能模式

TS3USB3031的功能模式由SEL1和SEL0两个控制输入决定，具体如下：	SEL1	SEL0	开关状态
低	低	D+/D–连接到USB1+/USB1–
低	高	D+/D–连接到USB2+/USB2–
高	低	D+/D–连接到MHL+/MHL–
高	高	USB和MHL开关处于高阻态

应用与实现

典型应用

在典型应用中，TS3USB3031用于在两组USB路径和MHL路径之间切换信号。它有内部6-MΩ下拉电阻，确保默认选择USB1通道。同时，还使用了TS5A3157开关来切换MHL的CBUS和USB OTG应用所需的USB ID线。

设计要求

• 遵循MHL和USB 1.0、1.1和2.0标准的设计要求。
• 无需在逻辑引脚（SEL0和SEL1）上使用外部电阻，内部下拉电阻可确保默认选择USB1通道。

详细设计过程

虽然TS3USB3031无需外部组件即可正常工作，但建议将未使用的信号I/O引脚通过50-Ω电阻接地，以防止信号反射。

布局指南

• 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：高速D+和D–走线长度应相等，且不超过四英寸，以保证眼图性能。
• 阻抗匹配：D+和D–走线的阻抗应与电缆的差分特性阻抗匹配，以实现最佳性能。
• 减少反射：尽量减少高速USB信号的过孔和拐角数量，使用两个45°转弯或圆弧代替90°转弯，避免走线下方或附近有晶体、振荡器等干扰源。

总结

TS3USB3031凭借其出色的电气性能、丰富的特殊特性和小巧的封装形式，在高速开关应用中具有很大的优势。无论是对于移动设备的设计，还是其他需要高速信号切换的场景，它都是一个不错的选择。不过，在实际应用中，我们还需要根据具体的设计要求，合理布局和使用该芯片，以充分发挥其性能。大家在使用TS3USB3031的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享。