使用转接驱动器扩展高吞吐量 USB 3.0 电缆的范围

投稿人:Digi-Key 北美编辑

如果主机距离外围设备很近,最新版本的 USB 可提供高达 2.5 Gb/s 的速率。在长距离使用 USB 的应用中,设计人员必须找到一些方法来抵消信号衰减,以维持 USB 规定的数据速率。

虽然也可以采用均衡、加重和直流增益技术,但通过 USB 转接驱动器,设计人员可获得更大的成功并缩短上市时间。转接驱动器是集成器件,包括解决信号衰减所需的所有电子元件。

本文首先介绍转接驱动器的操作,然后引入一些示例器件并说明其应用方式。

USB 可以拉长距离,但需要付出代价

USB 规范在制定时,会假定仅在相距几米内的器件之间进行连接,例如计算机和外部硬盘驱动器之间的连接。USB 3.0 规范规定电缆长度应限制在 3 米以内,以保持信号完整性。但 USB 技术的成功之处正在于现在它可用于出于实际需要必须使用更长电缆的应用。示例包括将服务器与安装在大型商店中的显示器面板连接。

遗憾的是,较长的电缆与高速 USB 版本常见的高频信号相结合,会带来信号完整性挑战,例如通道插入损耗、串扰、码间干扰 (ISI) 以及随之而来的吞吐量降低。

USB 系统设计人员可以采用多种技术来克服信号衰减。例如,均衡和加重可用于限制通道插入损耗和 ISI 的影响。提高 DC 增益有助于克服串扰引起的损耗。

但是,设计信号调节电路会增加 USB 系统的复杂性,并且加大挑战的严峻程度,因为 USB 技术使用单独的信号对进行发送和接收,导致所需的电路加倍。USB 转接驱动器的出现为设计师带来了福音。

信号衰减的原因

高速 USB 需要克服的信号衰减问题并非该技术所独有;所有高速通信链路产品的设计人员都熟知此类问题。它们也不是长电缆 USB 安装所独有,但由于短电缆中的信号衰减较少,因此问题并不明显。

高速通信系统中的信号衰减主要是由于插入损耗、串扰和 ISI 的共同作用。

插入损耗是由电缆引起的信号功率衰减的结果。损耗与电缆长度成正比。串扰是相邻信号载波的电容、电感或电导“耦合”,这降低了两者中信号的完整性。当一个符号(携带数据并根据载波频率重复的离散信号)干扰前一个符号时,会发生 ISI,从而会增加噪声和失真。ISI 与载波频率(因为信号之间的时间间隔随着频率升高减小)和电缆长度(因为信噪比 (SNR) 在较长的电缆中减小)成比例。噪声是信号中不携带有用信息的部分。

高速 USB 系统还将包括一定量的确定性和随机性抖动,可以理解为与信号标称周期性的小偏差,这可能损害信号完整性。系统通信频率越高,抖动的影响越大。

克服信号衰减

高速通信系统中不可避免地存在一些信号衰减,但是仅在 SNR 变得太差以至于发送的某些数据无法在接收器处解码时,信号衰减才会成为一个问题。这会导致吞吐量受损,并且在极端情况下引发通信故障。

工程师已经开发出四种技术来提高 SNR(或实施“信号调节”),以提升高速通信系统的吞吐量:

  • 加重/去加重放大最可能受噪声影响的发射频率,然后在接收器处对其去加重,以重建原始信号。
  • 均衡使用滤波来确保接收信号与发送信号的频率特性相匹配,从而有效保持整个电缆长度上平坦的频率响应。
  • 直流增益可补偿给定长度电缆的线性衰减。
  • 输出摆幅控制可配置 USB 差分电压,以确保其符合 0.8 至 1.2 伏的规格要求。

优化特定配置的通信需要进行大量测试,以确定一系列操作条件所需的均衡、加重、DC 增益和输出摆幅控制的量。然后,可使用该信息在操作期间自适应更改每个参数,以维持理想信号。但是,对所有系统执行自适应信号调节,而非仅针对最关键的通信系统,这并不实际。

无源信号调节,即单个设置满足所有操作条件,确实能够以低得多的成本获得合理的结果。缺点是它无法始终确保最佳条件。设计人员可以通过提供特定长度的电缆(其设计已经过使用测试)或指定最大电缆长度来确保消费者满意。

USB 主机(微处理器)到转接驱动器通道,以及转接驱动器到外围通道(通过连接器和电缆)都需要进行信号调节。通常,每侧都需要不同的信号调节参数。

重新设计转接驱动器

USB 转接驱动器是一种对 USB 通道实施透明(不影响数据传输)信号调节的方便且相对低成本的方式。诸如 Diodes IncorporatedPI3EQX1001XUAEX(一种 10 Gb/s、1 通道 USB 3.1 线性转接驱动器)之类的产品,在端点设备接收之前,将高速 USB 信号恢复到原始状态(图 1)。

Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX USB 转接驱动器的图片

图 1:USB 转接驱动器(比如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX)是恢复长电缆信号完整性的便捷方式。(图片来源:Diodes Incorporated)

由于转接驱动器允许各种配置参数,因此芯片可以安装在主机 USB 印刷电路板上,尽可能靠近连接器,或者安装在电缆的远端,靠近外围设备或端点设备的连接器(如图 1 所示)。但是,大多数应用在电缆的主机 USB 端使用转接驱动器。

电路板印制线的设计应符合高速信号设计的最佳实践指导准则。例如,印制线应是匹配、阻抗受控的差分对。布线应避免使用过孔和急转弯(保持在 135°或更大角度),并且印制线应以稳固的地平面为基准,不得有切断和分叉,以防止阻抗不连续(图 2)。

将 USB 主机连接到转接驱动器和连接器的印制线示意图

图 2:将 USB 主机连接到转接驱动器和连接器的印制线应采用高速信号设计最佳实践。例如,转弯应限制在 1350 以限制干扰。(图片来源:Texas Instruments)

组装了印刷电路板和组件之后,开发人员就可以配置信号调节参数以满足特定通道的特定特性。

NXP SemiconductorsPTN36043BXY USB 3.0 转接驱动器是现代产品的一个示例。该芯片是一款紧凑型、低功耗、双差分通道产品,使用 2 对 1 有源开关,带有集成的 USB 3.0 转接驱动器。该开关可以将两个差分信号引导至两个位置之一,并采用最小化串扰的设计(图 3)。

NXP Semiconductors 的 USB 3.0 转接驱动器的示意图

图 3:NXP Semiconductors 的 USB 3.0 转接驱动器集成了加重、均衡、直流增益和输出摆幅控制。由于电缆特性在不同方向上各不相同,因此传输线和接收器线需要单独控制。此转接驱动器结合 USB Type-C 连接器使用,因此它在连接器侧具有两条发射和接收双绞线。(图片来源:NXP Semiconductors)

NXP USB 3.0 转接驱动器允许开发人员调整每个通道(USB 主机到转接驱动器和转接驱动器到外设)的加重/去加重、均衡和输出摆幅。此外,该器件还可通过提高直流增益来补偿电缆衰减。

每个通道连接到两个控制引脚,允许设计人员为给定设置选择信号调节参数。对于每个通道上的 TX/RX 线路,开发人员可以从九种信号调节组合中选择(表)。

CH1_SET1 CH1_SET2 RX_AP_± 去加重 RX_AP_± 输出摆幅 TX_AP_± 均衡器
-3.9 dB 1100 mV 3.0 dB
-3.5 dB 900 mV 3.0 dB
0 dB 1100 mV 3.0 dB
0 dB 900 mV 3.0 dB
-3.9 dB 1100 mV 0 dB
-3.5 dB 900 mV 0 dB
0 dB 1100 mV 0 dB
0 dB 900 mV 0 dB
-5.3 dB 1100 mV 6.0 dB

表: 当使用 NXP 转接驱动器时,对于 USB 主机到转接驱动器通道上的 TX/RX 线路,开发人员可以从 9 个信号调节参数中选择。类似选项可用于转接驱动器到外设通道。(表格来源:NXP Semiconductors)

评估转接驱动器设计

需要在一系列工作条件下评估原型,以确定加重、均衡、直流增益和输出摆幅控制的最佳选择。由于可使用评估套件,设计人员的任务变得更加轻松。

例如,Texas Instruments 提供 USB-REDRIVER-EVM USB 3.0 转接驱动器评估模块 (EVM)(图 4)。此模块基于该公司的 TUSB501DRFR USB 3.0 3.3 V 单通道转接驱动器。

Texas Instruments 的 USB 3.0 转接驱动器评估模块的图片

图 4:TI 的 USB 3.0 转接驱动器评估模块使开发人员可以尝试一系列配置,以优化其设计的信号完整性。(图片来源:Texas Instruments)

当 USB 系统处于活动状态时,TUSB501 会定期对 TX 对执行接收器检测。如果它检测到 SuperSpeed USB 接收器,则 RX 终端变为启用状态,并且 TUSB501 可随时转接驱动。

该芯片采用一个接收器均衡器,具有三个由引脚“EQ”控制的增益设置(3、6 和 9 dB)。该芯片还支持引脚“DE”和“OS”上的去加重和输出摆幅。去加重值取决于输出摆幅选择。当输出摆幅设置为“低”时,去加重可以设置在 0 到 -6.2 dB 之间。设置为“高”时,EM 支持 -2.6 到 -8.3 dB 之间的去加重。

EVM 作为 USB 适配器,包含两个 TUSB501 转接驱动器(另加一个 USB 2.0 转接驱动器)。适配器由 USB 主机 VBUS 引脚供电,并将电源电压传递到下游端口,以为外设供电。

EM 上的一个 TUSB501 转接驱动器可以提升主机 TX 线路性能,而另一个则可以控制 RX 线路。均衡和去加重值的默认配置值,通常与带有 3 到 5 米长电缆和 20 到 25 厘米电路板印制线的 USB 3.0 系统的发送和接收配置值相同。直流增益通过选择合适的电阻器来实施。

EVM 允许开发人员测试对转接驱动器配置参数的更改如何影响高速 USB 系统的 TX 和 RX 对的信号完整性。EVM 还可作为参考设计,针对任何预期应用进行修改。它配有 USB Type-A 插头和插座。

使用 USB 转接驱动器连接来测试系统

在测试物理系统时,务必要记住转接驱动器会修改 USB 信号,从而造成系统抖动。应测量此抖动,以检查其对信号调节设置的影响。

TI 建议使用带有 3 米电缆的测试系统和带有 24 英寸印制线的主机 USB 印刷电路板,并将转接驱动器放置在距离连接器 4 英寸的位置。在电缆的远端,外设由印刷电路板代表,印制线尺寸在 1 到 6 英寸之间(图 5)。

使用 Texas Instruments TUSB501 转接驱动器的高速 USB 抖动测试设置图

图 5:使用 TUSB501 转接驱动器的高速 USB 抖动测试设置。该设置复制一个应用,比如使用 3 米电缆连接到外围闪存驱动器的 PC。(图片来源:Texas Instruments)

理想的设计将表现出零抖动,确保在从高到低/从低到高转换之后,立即完全应用去加重之类的补偿。由于这并不现实,TI 建议设计限制抖动,以便在转换的 200 皮秒 (ps) 内应用完全补偿(图 6)。

使用转接驱动器的高速 USB 系统中的抖动图

图 6:应限制使用转接驱动器的高速 USB 系统中的抖动,以便在信号转换的 200 ps 内应用完全补偿。(图片来源:Texas Instruments)

总结

USB 3.0 的原始形式适用于最大长度为 2 米的电缆,但目前的许多应用使用更长的电缆。由于该技术需要使用高频信号,将电缆长度延长超过 3 米会带来信号完整性问题,从而影响吞吐量。低成本且紧凑的 USB 3.0 转接驱动器提供了一种相对简单的解决方案,使开发人员能够增加均衡、加重和 DC 增益,从而提升高速 USB 信号质量。

如上所述,硅供应商现在提供基于转接驱动器的现成 EVM,从而可以在建议的应用中轻松试用目标器件。数据表包括元器件和印刷电路板布局信息,允许将 EVM 用作最终产品的参考设计。

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