【導讀】USB 3.0已經成為時下流行的數據傳輸接口。與USB 2.0相比，它更快更優異。但是在USB 3.0的系統設計中，工程師不得不考慮兩個問題，一是信號的完整性，二是采用USB開關器件。
USB 3.0正逐漸成為最有前景的數據傳輸接口之一。相比USB 2.0，USB 3.0速率快10倍，達5.0Gbps；提供異步機制，能夠同步收發數據；并提供了高達900mA的電源輸出。3D攝像頭等跨筆記本電腦、PC、平板電腦和智能手機的新應用正使USB 3.0變成下一代系統I/O互聯的事實標準。
在系統中設計USB 3.0時，需要考慮兩個重要問題。USB 3.0作為一種高速傳輸接口，信號完整性是系統設計人員遇到的首要問題——它會降低傳輸信號的質量。信號調理利用加重和均衡技術校正抖動和衰減損耗，為信號完整性恢復提供了解決方案。在線路中增加補償器件（如ReDriver），能夠對通道內其余部分產生的衰減進行補償。
擴展USB 3.0應用的另一個重要方法是采用USB開關器件。設計人員要想加快上市時間，需要能夠在其現有設計中靈活運用USB 3.0/2.0接口。采用USB開關，將無需對USB 3.0進行調試，從而能夠幫助快速實現這一目標。
用USB ReDriver延長USB信號的傳輸距離
設計人員在設計USB 3.0系統時所面臨的一個挑戰是，如何確保高速傳輸的信號能夠在經歷最長的距離后，仍然保持良好的質量。例如在正在興起的PC機3D攝像頭應用中，3D數據在USB 3.0 3D攝像頭和USB 3.0主機之間傳輸時，有可靠的USB 3.0連接、接收端均衡損耗補償、有效的USB 3.0電源管理以及最低的誤碼率。隨著USB接口在移動設備上變得流行，新的Type-C接口推向市場；Type-C連接器及帶Type-C開關的Type-C線纜的插入損耗，將進一步降低USB 3.0高速信道的信號完整性質量。
保持信號完整性一般通過降低發射器與接收器之間的通信損耗來實現。然而，隨著信號頻率增加，PCB走線、連接器、過孔和線纜上的損耗也將增加。高速信號也更容易受到環境噪聲的影響。根據特定的使用協議，總損耗會超出控制器所能可靠傳輸數據的能力（即至少將誤碼率維持在10-12）。
一般，FR4 PCB材料傳輸速率每增加10Gbps，通道損耗就會增加約1dB。連接器和過孔損耗也要算進來。
對于開發人員利用高速接口開發系統的情況，有兩個指標正成為影響系統完整性的重要指標：功率和工藝尺寸。復雜的系統級芯片（SoC）在單芯片上集成了處理器、I/O、內存以及其他功能。為了提高處理性能，實現較高的功率效率，SoC將工作電壓降低，并采用較小尺寸設計。這些器件與前代系統引腳兼容，以簡化在現有設計中的集成。因此，設計人員能夠以較低的成本獲得較好的性能和功耗。
然而，工藝尺寸縮小卻存在SoC驅動信號降低的問題。比如，手機和其他小尺寸系統的芯片組制造商面臨的問題是，這些電池供電器件需要以相同功率提供更好的性能，以至于不會影響電池壽命。然而，工作在較高頻率會增加功耗。處理器要降低功耗影響，就需要降低工作電壓。另一方面，通信通道的輸出電壓已定。然而，SoC內部的不同功能模塊都是針對超低功耗而設計的，整體設計可能限制可用驅動功率，并極大降低高速鏈路的驅動輸出，繼而降低驅動長度（一些SoC不可能針對超低功率設計，仍然會維持高功率驅動輸出）。
在5Gbps的信號速率下，就能看到工藝尺寸降低對信號完整性的影響。這些影響包括：較低的工作電壓、EMI以及走線/線纜長度。例如，當SoC遷移到下一個工藝節點時，集成USB控制器的驅動長度可能降低一半。 因此，若SoC與前代引腳兼容，它將無法做到驅動兼容。通道損耗在信號驅動降低的情況下可能變得太大，這樣，采用前代SoC設計的符合規范的通信通道遷移到下一代器件時，就有可能變得不可靠了。
為了驗證具有高速接口的設備能夠通過一致性測試，許多開發人員通過在接收端測量信號眼圖來測試信號完整性。
圖1(A)中，發送端信號眼圖很好地打開，并且信號抖動和衰減在可接受范圍內。然而，通道內走線（標準FR4 PCB在12Gbps速率下損耗約為1.2dB/in）、過孔（每個達2dB）、線纜（根據線纜質量，在1.9~4.4dB/m之間）和連接器（0.5~1.5dB）所產生的總信號損耗太大，接收端信號眼圖關閉，誤碼率顯著上升（圖1(B)）。這降低了通道的可靠性和吞吐率。信號調理利用加重和均衡技術校正抖動和衰減損耗，為信號完整性恢復提供了一種方法。在通信通道內引入ReDriver或中繼器后，ReDriver會對接收信號所產生的損耗進行校正，并對通道剩余部分會產生的損耗進行補償。在采用ReDriver對信號進行調理后，接收端的信號眼圖打開，信號和數據完整性得以恢復（圖2）。這樣，信號能夠可靠傳輸更遠距離，連接器的個數可以增加。
為獲得最好的性能，ReDriver在通道內的理想位置是中點，以將其兩端的通道損耗平分。
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ReDriver提供的信號調理對通信信道是透明的。它不會對數據進行解碼或對協議命令進行評估，而是恢復最初信號的完整性，使其通過。ReDriver的參數根據通道表征選取，它將獨立于系統的其余部分工作。
對于使用線纜的（例如許多消費類電子）應用，信號完整性尤其重要。消費者希望能夠如自己希望的那樣使用設備。假設用戶想要通過線纜將手機連接到電視，線纜至少需要有兩米長，才能使連接到電視背后，不至于使用戶離屏幕太近而感到不舒適。消費者一般不會參考接口規范，他們買回線纜是希望它能工作。這樣，他們買到的線纜可能比系統指定的更長，或者使用質量較差、屏蔽不好的線纜。
隨著便攜設備新應用的增加，對較長和較便宜線纜提供支持的需求將會與日俱增。雖然這些應用可能最終會采用無線通信，但是現在還沒到這個時候。例如，在大多數消費者都有可傳送視頻流的便攜設備時，僅有少數電視提供無線連接。因此，保證線纜的信號完整性對消費者來說將是一個重要特性。采用ReDriver延伸長度的“有源”線纜在市場上正不斷增加。
為了實現最佳性能，ReDriver的輸入和輸出都要進行表征，以匹配其所放入的實際通道。理想情況下，高速接口應設計成閉合通道或受限制的開放通道，這意味著通道最大長度由通道損耗小于4dB確定。具有數據線的應用通過提供標準的數據線可設計成閉合通道。
ReDriver放置需要考慮系統的整個架構。例如，對于許多小尺寸設備，損耗的中點可能在附加線纜的中間位置。在這種情況下，將ReDriver放在離連接器盡可能近的位置，可以實現最好的信號調理。確定最佳位置需作正規的通道分析。更復雜的系統可能要放在不同的位置。
SoC架構的一個優勢是將應用所需的多個功能集成到一個單芯片中。這種方法的優勢很明顯，包括功耗、尺寸和價格降低，以及使設計得到簡化（因為功能模塊的耦合更加緊密）。然而，這對信號驅動帶來了不利一面。
信號驅動輸出較高會產生電磁干擾（EMI），對鄰近電路產生不期望的噪聲。在SoC的有限區域內，高速接口的EMI會對RF子系統造成破壞。這不僅會降低射頻可靠性，還會迫使射頻電路消耗更多的功率，以補償傳輸距離下降，從而使功耗增加。
EMI對系統可靠性的影響取決于系統的總體設計。例如，在手機和平板電腦中，考慮到滿足緊湊空間的需求，I/O口線通常是繞過電池布線的。攝像頭/USB端口通常設置在系統的頂部和底部——SoC由于MIPI-CSI2接口而放在攝像頭附近；SoC與USB端口的連接則通過帶專有連接器的柔性印制線（FPC）來實現（圖3）。
柔性印制線在手機中會形成一根約7”的天線，它還會對系統產生很大干擾。為了降低RF和USB 3.0信號的干擾，需要對接口走線進行屏蔽。但是由于走線長度、位置以及手機空間非常緊湊的緣故，這就很難實現。
另一種方法是通過在連接器附近放置外部ReDriver，讓SoC驅動信號能夠以較低的擺幅輸出。因為通過手機的驅動電流較低，芯片組和連接器之間信號路徑產生的EMI得到降低。這意味著干擾減小，可以無需采用附加屏蔽。由于ReDriver可以放置在連接器旁邊，信號可以在離開手機時放大，從而可進一步降低EMI。
ReDriver放在連接器附近使得對這部分進行屏蔽更加容易并且成本較低。將系統這樣劃分還能使設計人員在布置芯片組、射頻電路和天線時更加靈活。
此外，將ReDriver放置在手機邊緣處，還能通過在ReDriver兩端平衡通道損耗使其更加有效。若信號調理功能集成到SoC上，總的通道長度包括7”走線以及芯片組附近的轉換部分。若信號是由連接器附近的ReDriver放大和調理的，ReDriver和芯片組之間的任何損耗都可以單獨處理而不用混合在一起處理，這使設計人員能夠獲得更大余量。同時，這也能提升信號余量，從而支持更長或更低質量的線纜。
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USB開關將一個USB 3.0接口擴展至多個
在采用USB作為接口標準的應用中，需要采用USB開關對USB信號進行連接和路由。設計人員采用USB開關，只需對現有設計進行修改，而無需重新開發新的系統，從而能夠幫助降低設計周期。例如，在現場調試應用中，USB開關能為調試提供可選路徑，而無需影響設備工作。
USB開關（多路復用/解復用器，Mux/De-Mux）是一種雙向器件，從多路USB輸入信號中選擇一路（USB 3.0為Tx+、Tx-/Rx+、Rx-）傳輸到單根線路，或者是反方向傳輸。USB開關采用帶電荷泵的NMOS管設計；電荷泵能夠幫助提升柵極電壓，避免輸出電壓受閾值鉗位（圖4、圖5）。
圖4：在USB開關中，NMOS開關的柵極帶有電荷泵。
圖5：1:2通道USB 3.0開關。
選擇USB開關時需要考慮8個關鍵參數：3dB帶寬：3dB帶寬一般指設備在可接受損耗下能夠路由的最大頻率信號。要使USB 3.0信號能夠在5Gbps速率下理想工作，工作頻率應大于2.5GHz。頻率越高，系統性能越好。Pericom提供的USB 3.0開關，其3dB帶寬高達10.6GHz。
導通電阻及Ron平整度：導通電阻（Ron）是漏極和源極之間開關閉合時的電阻。Ron應盡可能低，以在吞吐過程中做到幾乎無能量損耗。Ron平整度是導通電阻在整個信號范圍下的變化程度。Ron平整度定義為在指定模擬信號范圍內，導通電阻的最大和最小測量值之差。Ron平整度與失真有關，因此它越低，失真越小。
插入損耗：插入損耗是衡量給定頻率下功率損耗或信號衰減的指標。該指標以dB表示，大于1或2dB將使峰值信號電平衰減，增加上升時間和下降時間。Pericom USB 3.0開關的插入損耗在5GHz時為-1.3dB。
返回損耗：返回損耗一般是由于電路間的阻抗失配而導致的。返回損耗越低越好，具有較好返回損耗性能的開關能夠確保開關的最優功率傳輸。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的返回損耗為-30dB。
關斷隔離：關斷隔離是關斷狀態下的開關從鄰近導通狀態下的開關捕獲的噪聲大小。在較高頻率下（如5Gbps或2.5GHz的USB 3.0、8Gbps或4GHz的PCIe 3.0），隔離變得更加重要。較好的隔離可降低信號受其他通道信號的影響，維持被測信號的完整性，降低系統測量的不確定性。Pericom的PI3USB304在2.5GHz下的關斷隔離為-26.7dB。
串擾：串擾是電路之間信號耦合的程度。串擾通常是由一個電路（電路的一部分或者通道）受另一個電路不期望的電容、電感或電導性耦合所引起的。較高的串擾會使信號劣化。
PI3USB304在2.5GHz下的串擾為-38dB。
ESD保護：ESD保護是USB開關的一項重要功能。標準的USB開關設計成能承受高達±2kV的人體模型（HBM）放電。設計人員可在外部增加附加的ESD保護，但是這會犧牲寶貴的電路板面積，對輸入/輸出線路增加電容。因此，Pericom USB開關設計成能夠承受高達±8kV的ESD。
過壓保護：過壓保護意味著確保開關能夠承受模擬輸入上超過電源的指定電壓。Pericom的USB開關具有5V保護。
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討論完設計USB開關時應注意的功能和關鍵指標，這里再介紹一些USB3.0的具體應用。
圖6：USB 3.0開關在筆記本擴展底座上的應用。
WiFi內存是一種簡單的無線設備，主要由三個簡單模塊組成：集成WiFi模塊、MCU和內置內存（HDD）。WiFi內存采用USB 3.0開關，在HDD和通過WiFi模塊或USB端口連接的設備之間傳輸數據（圖7）。
在筆記本擴展底座應用中，USB 3.0開關可用于在筆記本USB端口和擴展底座USB連接器之間實現切換（圖4）。在該應用中使用USB 3.0 ReDriver，還可幫助恢復PCB、線纜和連接器上的信號完整性問題。
圖7：USB 3.0開關在WiFi內存中的應用。
KVM開關（KVM是“鍵盤、視頻和鼠標”的縮寫）是一種使用戶能夠通過USB接口，使用一個或多個鍵盤、視頻監視器和鼠標控制多臺計算機的硬件設備。USB開關使USB 3.0設備（鍵盤或鼠標）能夠在兩個USB主機系統中進行選擇，或者在兩個USB 3.0設備之間共享USB 3.0主機系統。
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