USB 3.0电路设计:应对长距离挑战

2019年07月12日 作者:Teardown

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 Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX(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)。

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)。

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。

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