面向便携式USB设计的宽带模拟开关

面向便携式USB设计的宽带模拟开关

飞兆半导体公司 Jeff Ju

引言

随着在PC主机与便携式设备（如手机、数码相机等）之间快速上传和需求的不断增加，通用串行总线(USB)接口已成为终端设备之间数据传输的主要接口。尤其是对于可拍照手机与打印机之间无须PC介入的直接接口，USB OTG更起着重要作用。在讲求美观设计的驱动下，采用小巧的连接方式（如微型 AB USB连接器）取代了过去笨拙的耳机连接器。基于这种应用，在手机、数码相机等高端产品的设计中，广泛采用高宽带模拟开关，用作USB线和外部耳机间的引脚共享。

应用研究

为了满足USB外设间的直接接口要求，高端手机设计如基于CDMA2000的高端手机平台都采用了USB OTG。新的协议NHP使手机既可作为主机，又可作为外设，实现手机与打印机间的直接相连，数据吞吐量可达12 Mbps，比串行I/O口（如UART）的速率更高。为了维护和线缆连接方便，典型的设计中仍然保持UART输出，通过使用高宽带模拟开关在USB和UART功能之间进行切换。同样，源于外形美观设计的要求，模拟开关也可以用来实现USB I/O口和音频耳机输出之间的引脚共享。通过这种共享，笨拙的耳机连接器可以被小型的串行数据I/O口代替，以实现更小的设计，如图1所示。

除引脚共享外，模拟开关还可广泛应用于便携式设计中USB总线的上拉控制。如图2所示，当VBUS供电电压被断开后，到D+的上拉电阻(1.5 K )应在10秒内与3 V终端断开。在VBUS导通时，开关应以极小的导通阻抗提供少的衰减，以便降低功耗及DC压降。飞兆提供的1 模拟开关(FSA1156)的截止漏电流可低至20 nA，并提供8 KV ESD (HBM)总线保护，因而特别适合这类应用。
图3显示了模拟开关的另一种应用，即用于数码相机(DSC)或手机等便携式设计的总线隔离。这种隔离可保护内部ASIC免受外部噪声干扰。此外，对于带USB OTG接口的高端便携式设计，USB PHY与外部世界的隔离可进一步减少两用（dual-role）设备之间(如两部手机)触发错误会话请求协议(SRP)脉冲的潜在危险。在这类应用中，当串行总线被切断后，便需要卓越的截止隔离功能。若数据总线被激活，则需要模拟开关提供高带宽性能以减少确定性抖动。双重单刀单掷(SPST)开关FSA1256具有300 MHz带宽，提供 70 dB截止隔离性能，可以全速通过USB 2.0而无明显边缘失真，因此特别适合于这类应用。其超小型MicroPak封装仅占用2.56 mm2的PCB面积，专门针对空间要求严格的便携式设计而优化。

USB模拟开关的选择

除了以上应用外，现进一步探讨开关规范和整体系统信号完整性之间的关系。大多数便携式设计现在仍采用12 Mbps数据吞吐量的全速I/O。数据信号的上升和下降时间由4 ns至20 ns不等。当此低边缘的信号(20 ns上升/下降时间)经过开关时，可看到信号从低到高几乎全轨的慢慢转变。当信号通过开关后，信道导通电阻(RON)将被电压瞬态输入所调制，并且可能由于导通电阻的变化而引起相位延迟差异。这一差异随后会导致相位抖动，因此需要带有低导通平滑阻抗（RFLAT(ON)）的模拟开关。但是，过于强调平滑性会误导设计者。事实上，较低的导通阻抗和阻抗平滑性会导致更高的导通电容，从而降低开关带宽。低带宽的模拟开关对于全轨变动的快速上升/下降时间信号可能会带来更多的确定性抖动。因此必须考虑偏移和带宽之间的折衷。FSUSB11开关具有350 MHz带宽，并提供良好的偏移性能(典型值为150 ps)。

图4显示了工作于12 Mbps全速模式下USB开关的AC波形，其附加抖动只有1.25 ns(峰值至峰值)。USB开关对单位间隔抖动的影响低于2％，而且不会影响驱动器边的抖动预算。超低RON平滑 (0.2 )和差分信道阻抗有助于减少传输延迟差异，并终将确定性抖动减至。传输延迟很小，这对D+和D 线的偏移影响可以忽略不计。得益于这一超低RON平滑，上升和下降时间的不对称性仅限于USB规范的10％之内。FSUSB11便非常适合这类应用，如图4所示。

线路板布线建议

在对USB信号进行布线时，设计者可使用一些布线技巧来加快PCB设计进程。首先，差分信号的迹线长度差异必须减至，以优化信道间的偏移，从而降低确定性抖动。

此外，开关必须放置在靠近USB驱动器输出的地方，作为驱动输出的集总负载。这一安排有助于减少反射或逆程损耗，并且提高EMI性能。USB驱动器和连接器之间的迹线长度应减至少，以获得的信号完整性，否则迹线感应可能会与模拟开关的导通电容一起降低数据路径的带宽，使信号边缘恶化，引起更大的附加抖动。为了减少静态功耗，建议采用选择性控制信号在0至VCC间切换。除了在四层设计中电源和接地之间的自然去耦电容外，额外的去耦电容(1 F和0.1 F)也需要放置在靠近USB开关VCC引脚的地方，以期获得更好的导通阻抗平滑和较低的附加抖动。

结语

随着便携式设计对USB功能需求的增加，具有高ESD和截止隔离性能的宽带模拟开关正广泛地用于PDA、手机和数码相机等应用中，在提供可靠性能的同时，也正实现着更具吸引力的轻巧设计。通过小型连接器降低外部引脚连接的发展趋势，将进一步驱动模拟开关在这类设计中的使用。与PCB可靠连接的微型封装如MicroPak等，更为PCB空间受限的便携式应用带来更多的优势。