Das sollten Sie über USBs wissen

Wenn Sie mit USB 2.0 oder 3.0 entwerfen, müssen Sie diese drei Dinge über das Verschieben von USB-Signalen in Ihrem System wissen.

Die Chancen stehen gut, dass Sie jetzt – oder in Kürze – USB in Ihr Embedded-System einbauen. Das liegt daran, dass USB überall verwendet wird!

Es ist schwer vorherzusagen, wie viele USB 2.0 (480 Mbps) oder USB 3.0 (5 Gbps) Kanäle es auf der Welt gibt, da USB (fast) so allgegenwärtig ist wie LED-Leuchten.

Aber der Blick auf einige ultra-mobile Geräte, die USB enthalten, zeigt, wie beliebt USB ist: 317 Millionen PCs, 321 Millionen Tablets und 2 Milliarden Mobiltelefone (Quelle: Gartner Device Shipments, Juli 2014). Um usb schalter selber bauen zu können sollten Sie folgendes beachten. Und jedes der kürzlich angekündigten ultraflachen MacBooks von Apple wird mit dem neuesten und bösartigsten SuperSpeed USB 3.1 Typ-C-Anschluss ausgestattet sein.

Also hört zu, bitte. Ich werde Ihnen drei Dinge erzählen, die Sie über USB-Switches wissen müssen – digitale MUXe und Crossbars, die USB-Signale als Teil der meisten Embedded-Designs ausstrahlen. Wir bleiben bei USB 2.0 und 3.0, da sie den größten Teil des Marktes ausmachen.

NMOS-Schalter

1. USB-Geschwindigkeiten, Pinbelegungen und Schalter

Ein USB-Switch ist im Grunde genommen ein MUX/De-MUX, der USB-Signale bidirektional zwischen mehreren Ports bewegt und die Einhaltung der USB-IF-Spezifikationen gewährleistet. Die gebräuchlichste Switch-Konfiguration ist ein 2:1, obwohl andere Konfigurationen möglich sind, wie z.B. der PI2USB4122 4:1 von Pericom Semiconductor.

Während USB 1.1 und 2.0 relativ langsam sind, stellt die 5-GHz-Frequenz von USB 3.0 einige Herausforderungen an die Signalintegrität dar, wie wir später sehen werden (Tabelle 1).

 

USB 2.0 hat vier Pins, während USB neun hat (Tabellen 2 und 3). Der gängige, große USB Standard A-Anschluss ist das Ende, das in einen USB-Hub gesteckt wird, sieht für USB 2.0 und 3.0 ähnlich aus, trägt aber die Bezeichnung „SS“ (Super Speed) für 3.0 und ist rückwärtskompatibel zu USB 2.0-Slots. Die vier rückwärtskompatiblen USB 2.0-Pins sind clever in den aktualisierten siebenpoligen 3.0 Standard A-Stecker integriert. Die für USB 3.0 verwendeten Switches sind rückwärtskompatibel mit USB 2.0-Signalen, aber nicht umgekehrt.

Eine Fußnote, damit du nicht fragst. Wir beschränken unsere Diskussion auf Signalschalter im Gegensatz zu Protokollschaltern. Erstere befassen sich hauptsächlich mit der elektrischen physikalischen Schicht (PHY) des OSI-Modells. Protokoll-Switches gibt es auch – und unser Sponsor Pericom Semiconductor macht eine Menge davon – aber sie befassen sich mit zusätzlichen Schichten des Stacks und können nicht nur mit USB verbunden werden, sondern auch mit PCI Express und USB. Lassen Sie es uns vorerst in dieser kurzen Fibel einfach halten.

 

2. Parameter des Schlüsselschalters

Die Basis für einen USB-Switch ist ein NMOS-Transistor, der sich für Hot-Swap/Stecker-Anwendungen und schnelles Schalten eignet. Das Hinzufügen einer Ladepumpe erweitert die Rail-to-Rail-Ausgangsspannung und ermöglicht einen höheren Vdd-Arbeitsbereich bei gleichzeitig moderater Leistungsaufnahme ~250μA. Neben dem Fanout des Schalters gibt es eine Reihe von Schlüsselparametern, die sie charakterisieren.

 

Maximieren Sie die 3dB-Bandbreite: Eine gängige Branchenkonvention ist die Messung der maximalen Signalfrequenz eines Kanals am 3dB-Verlustpunkt. Dies ist für USB 2.0 mit 480 Mbit/s trivial, aber für USB 3.0 mit 5 Gbit/s von Bedeutung. Ein gutes Ziel für einen USB 3.0-Switch sollte >2,5 Gbps sein. Anbieter wie Pericom Semiconductor verfügen über bis zu 10,6 GHz für ihre besten Switches.

Geringste Einfügedämpfung:

Es ist wünschenswert, die durch den Schalter verursachte Verlustleistung bei Betriebsfrequenz zu minimieren. Eine Dämpfung von mehr als ~-0,8 dB verringert Signalspitzen und langsame Anstiegs- und Abfallzeiten; all diese Signale verschlechtern sich und können dazu führen, dass die USB 3.0-Spezifikation verletzt wird.

Geringste Rückflussdämpfung:

Ein Maß für die Impedanz-Fehlanpassung zwischen Signal und Schalter, mit dem Ziel, die Leistungsübertragung zu maximieren. Alternativ ist dies das Verhältnis der Leistung in den Schalter zur reflektierten Leistung (in dB), wobei eine höhere absolute Zahl besser ist. Konventionell wird der Kehrwert verwendet: die reflektierte Leistung über der einfallenden Leistung (in dB). So hat beispielsweise der Pericom PI3USB302-A USB 3.0 2:1 Switch eine Rückflussdämpfung von -23,3 dB bei 2,5 GHz.

Minimales Übersprechen:

Übersprechen beschreibt das Ausmaß, in dem sich Signale durch den Schalter durch kapazitive, induktive oder leitfähige Kopplung gegenseitig beeinflussen. Niedrigere Übersprechenszahlen sind besser. Pericom-Switches haben routinemäßig -33dB, können aber genauso „sauber“ sein wie -41dB bei 2,5 GHz.

Bei Widerstand (Ron) und Ron Ebenheit: Diese sind etwas esoterischer, wobei Ron der Widerstand durch den geschlossenen Schalter ist – spezifisch zwischen Transistorquelle und Drain (Abbildung 1). Wie die Rückflussdämpfung sollte sie für eine maximale Leistungsübertragung minimal sein.