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(多图) USB 3.0接口应用的设计考虑因素

Joseph Juan?? Prasad Tawade?? Pericom公司?? 2015年01月22日 ?? 收藏6
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。

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。

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。

用USB ReDriver延长USB信号的传输距离

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。

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)。

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

图1:接收端信号眼图很好地打开,表明信号抖动和衰减在可接受的范围内(A)。走线、过孔、线缆和连接器的损耗过大导致接收端信号眼图关闭,从而使误码率显著增加,使通道的可靠性和有效吞吐率降低(B)。
图1:接收端信号眼图很好地打开,表明信号抖动和衰减在可接受的范围内(A)。走线、过孔、线缆和连接器的损耗过大导致接收端信号眼图关闭,从而使误码率显著增加,使通道的可靠性和有效吞吐率降低(B)。

图2:通信通道使用ReDriver后,ReDriver采用信号调理,通过校正抖动和衰减损耗使信号完整性得到恢复。接收端的信号眼图打开,接口的可靠性和吞吐率得到优化。(A)和(B)为采用ReDriver前后,信号的眼图对比。
图2:通信通道使用ReDriver后,ReDriver采用信号调理,通过校正抖动和衰减损耗使信号完整性得到恢复。接收端的信号眼图打开,接口的可靠性和吞吐率得到优化。(A)和(B)为采用ReDriver前后,信号的眼图对比。

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。

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USB 3.0接口? 信号完整性? USB ReDriver? EMI?

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