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USB 3.0接口应用的设计考虑因素

时间:2017-07-15 23:18来源:网络整理 作者:USB开发频道 点击:

  

USB 3.0正逐渐成为最有前景的数据传输接口之一。相比USB 2.0,USB 3.0速率快10倍,达5.0Gbps;提供异步机制,能够同步收发数据;并提供了高达900mA的电源输出。3D摄像头等跨笔记本电脑、PC、平板电脑和智能手机的新应用正使USB 3.0变成下一代系统I/O互联的事实标准。 copyright dedecms

在系统中设计USB 3.0时,需要考虑两个重要问题。USB 3.0作为一种高速传输接口,信号完整性是系统设计人员遇到的首要问题——它会降低传输信号的质量。信号调理利用加重和均衡技术校正抖动和衰减损耗,为信号完整性恢复提供了解决方案。在线路中增加补偿器件(如ReDriver),能够对通道内其余部分产生的衰减进行补偿。 本文来自织梦

扩展USB 3.0应用的另一个重要方法是采用USB开关器件。设计人员要想加快上市时间,需要能够在其现有设计中灵活运用USB 3.0/2.0接口。采用USB开关,将无需对USB 3.0进行调试,从而能够帮助快速实现这一目标。

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用USB ReDriver延长USB信号的传输距离 内容来自dedecms

设计人员在设计USB 3.0系统时所面临的一个挑战是,如何确保高速传输的信号能够在经历最长的距离后,仍然保持良好的质量。例如在正在兴起的PC机3D摄像头应用中,3D数据在USB 3.0 3D摄像头和USB 3.0主机之间传输时,有可靠的USB 3.0连接、接收端均衡损耗补偿、有效的USB 3.0电源管理以及最低的误码率。随着USB接口在移动设备上变得流行,新的Type-C接口推向市场;Type-C连接器及带Type-C开关的Type-C线缆的插入损耗,将进一步降低USB 3.0高速信道的信号完整性质量。

本文来自织梦

保持信号完整性一般通过降低发射器与接收器之间的通信损耗来实现。然而,随着信号频率增加,PCB走线、连接器、过孔和线缆上的损耗也将增加。高速信号也更容易受到环境噪声的影响。根据特定的使用协议,总损耗会超出控制器所能可靠传输数据的能力(即至少将误码率维持在10-12)。

织梦内容管理系统

一般,FR4 PCB材料传输速率每增加10Gbps,通道损耗就会增加约1dB。连接器和过孔损耗也要算进来。

本文来自织梦

对于开发人员利用高速接口开发系统的情况,有两个指标正成为影响系统完整性的重要指标:功率和工艺尺寸。复杂的系统级芯片(SoC)在单芯片上集成了处理器、I/O、内存以及其他功能。为了提高处理性能,实现较高的功率效率,SoC将工作电压降低,并采用较小尺寸设计。这些器件与前代系统引脚兼容,以简化在现有设计中的集成。因此,设计人员能够以较低的成本获得较好的性能和功耗。

织梦内容管理系统

然而,工艺尺寸缩小却存在SoC驱动信号降低的问题。比如,手机和其他小尺寸系统的芯片组制造商面临的问题是,这些电池供电器件需要以相同功率提供更好的性能,以至于不会影响电池寿命。然而,工作在较高频率会增加功耗。处理器要降低功耗影响,就需要降低工作电压。另一方面,通信通道的输出电压已定。然而,SoC内部的不同功能模块都是针对超低功耗而设计的,整体设计可能限制可用驱动功率,并极大降低高速链路的驱动输出,继而降低驱动长度(一些SoC不可能针对超低功率设计,仍然会维持高功率驱动输出)。 内容来自dedecms

在5Gbps的信号速率下,就能看到工艺尺寸降低对信号完整性的影响。这些影响包括:较低的工作电压、EMI以及走线/线缆长度。例如,当SoC迁移到下一个工艺节点时,集成USB控制器的驱动长度可能降低一半。 因此,若SoC与前代引脚兼容,它将无法做到驱动兼容。通道损耗在信号驱动降低的情况下可能变得太大,这样,采用前代SoC设计的符合规范的通信通道迁移到下一代器件时,就有可能变得不可靠了。 本文来自织梦

为了验证具有高速接口的设备能够通过一致性测试,许多开发人员通过在接收端测量信号眼图来测试信号完整性。 dedecms.com

图1(A)中,发送端信号眼图很好地打开,并且信号抖动和衰减在可接受范围内。然而,通道内走线(标准FR4 PCB在12Gbps速率下损耗约为1.2dB/in)、过孔(每个达2dB)、线缆(根据线缆质量,在1.9~4.4dB/m之间)和连接器(0.5~1.5dB)所产生的总信号损耗太大,接收端信号眼图关闭,误码率显著上升(图1(B))。这降低了通道的可靠性和吞吐率。信号调理利用加重和均衡技术校正抖动和衰减损耗,为信号完整性恢复提供了一种方法。在通信通道内引入ReDriver或中继器后,ReDriver会对接收信号所产生的损耗进行校正,并对通道剩余部分会产生的损耗进行补偿。在采用ReDriver对信号进行调理后,接收端的信号眼图打开,信号和数据完整性得以恢复(图2)。这样,信号能够可靠传输更远距离,连接器的个数可以增加。 织梦好,好织梦

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为获得最好的性能,ReDriver在通道内的理想位置是中点,以将其两端的通道损耗平分。 dedecms.com

ReDriver   EMI   Type-C

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ReDriver提供的信号调理对通信信道是透明的。它不会对数据进行解码或对协议命令进行评估,而是恢复最初信号的完整性,使其通过。ReDriver的参数根据通道表征选取,它将独立于系统的其余部分工作。 copyright dedecms

对于使用线缆的(例如许多消费类电子)应用,信号完整性尤其重要。消费者希望能够如自己希望的那样使用设备。假设用户想要通过线缆将手机连接到电视,线缆至少需要有两米长,才能使连接到电视背后,不至于使用户离屏幕太近而感到不舒适。消费者一般不会参考接口规范,他们买回线缆是希望它能工作。这样,他们买到的线缆可能比系统指定的更长,或者使用质量较差、屏蔽不好的线缆。

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随着便携设备新应用的增加,对较长和较便宜线缆提供支持的需求将会与日俱增。虽然这些应用可能最终会采用无线通信,但是现在还没到这个时候。例如,在大多数消费者都有可传送视频流的便携设备时,仅有少数电视提供无线连接。因此,保证线缆的信号完整性对消费者来说将是一个重要特性。采用ReDriver延伸长度的“有源”线缆在市场上正不断增加。 内容来自dedecms

为了实现最佳性能,ReDriver的输入和输出都要进行表征,以匹配其所放入的实际通道。理想情况下,高速接口应设计成闭合通道或受限制的开放通道,这意味着通道最大长度由通道损耗小于4dB确定。具有数据线的应用通过提供标准的数据线可设计成闭合通道。

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ReDriver放置需要考虑系统的整个架构。例如,对于许多小尺寸设备,损耗的中点可能在附加线缆的中间位置。在这种情况下,将ReDriver放在离连接器尽可能近的位置,可以实现最好的信号调理。确定最佳位置需作正规的通道分析。更复杂的系统可能要放在不同的位置。

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SoC架构的一个优势是将应用所需的多个功能集成到一个单芯片中。这种方法的优势很明显,包括功耗、尺寸和价格降低,以及使设计得到简化(因为功能模块的耦合更加紧密)。然而,这对信号驱动带来了不利一面。 dedecms.com






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