在我们实际应用中,经常会有USB端口复用的需求,如两个USB设置之间、USB设备和调试接口或者USB设备和充电设备的充电类型判断接口等等,但它们常常并不需要同时工作。在这种场景下,使用USB开关是一个经济高效节能的方法,用较低的成本、超小的面积代价(1.4mm*1.2mm)和极低的功耗(1uA静态功耗)即可实现,如帝奥的DIO32320系列,这种方案也广泛为市场所接受,具体应用如下图1所示。
图1 - DIO32320应用电路
近年来,USB Type-C开关得到了广泛的应用。“功能丰富多样,同时交互简便易用”,这个特点在USB Type-C接口得到了很好的体现。自USBIF 2014年发布USB Type-C的规范,因其功能丰富(同时支持数据、音频、视频和充电)、便捷性(正反插)、高速率数据传输、数据和电源均可双向传输、小尺寸等诸多优点,广泛应用于笔记本电脑、平板和手机中,并逐步延伸到各种配件包括TWS耳机等,有逐步统一电子设备接口的趋势。
由于USB Type-C连接器中的各引脚极为靠近,相邻引脚的间距只有0.25mm,考虑到VBUS电压可高达20V,降低的引脚间距增加了在接口受到高电流、高电压的同时扭绞电缆、连接器内的碎屑积聚或者接口潮湿等都有可能导致Type-C接口的信号线接触到VBUS的高压,下游电路可能会受到20V电压的冲击而损坏。考虑到D+、D-引脚离VBUS非常近(如下图2所示),存在较大的风险,为了保护下游的器件,需要在D+、D-上加上安全可靠的过压保护电路。在以上图1的应用场景中,当USB接口类型从Micro-USB接口切换到USB-C的接口,DIO32320已经不能完全覆盖实际应用,而帝奥的DIO5000正是一款应运而生的芯片。
图2 - USB Type C接口
DIO5000是一种高速、低功耗的双刀/双掷(DPDT)模拟开关带20V过压保护功能,支持从2.3V到5.5V电源供电。DIO5000设计用于在手持设备(如手机、数码相机和笔记本电脑,带有集线器或控制器)中切换高速USB 2.0信号。
1.)过压保护能力。如下图3所示,DIO5000在D+/D-引脚上有专用的过压防护电路,当USB设备断电或通电时,该电路允许设备承受Vbus对D+或D-短路最高20V电压,确保自身不被打坏,且把高压和下游电路隔离开来,保护下游电路。OVP电路集成到开关芯片中也大大简化了设计并减少了解决方案的尺寸,解决了设计者实际应用中的痛点。请参考如下图
图3 - DIO5000内部框图
如下图4所示,当数据线上电压过高,DIO5000内部的OVP保护电路开始起作用,最大电压高到5.5V时,OVP就响应,且响应速度极快,平均响应时间为10.4nS,能很快速的断开连接,保护内部电路不被高压加载而损坏。
Vcc=3.3V 全带宽 VD=4.0-21V USB Load=50ohm Cusb+=5pF
最大为5.5V OVP响应时间为10.4nS
图4 - DIO5000高压测试
2.)USB眼图。总所周知,USB眼图是衡量USB信号是否能很好的通过,或者说信号完整性的最重要的工具之一。眼图张开越大,对噪音和抖动的容许误差越大,同时接收器判断信号的准确度越高,对系统设计更友好,有更大的线损和寄生电容设计余量,布局和走线的容错率更高。DIO5000在提供较好的保护功能,同时确保USB信号良好的传输性。下图5是DIO5000的眼图测试结果,其眼图张开程度非常好。
DIO5000
480-Mbps USB2.0 Eye Pattern for USB Switch
图5 - DIO5000眼图测试
另外,考虑到便携式产品对功耗的要求,DIO5000在设计时就力求最小化静态功耗。如上图3所示,DIO5000在SEL和/OE管脚上都集成阻抗高达6MΩ的下拉电阻,SEL管脚上的弱下拉电阻在省电的同时,确保缺省状态下通道1被开通,/OE管脚上的弱下拉电阻确保上电后芯片即可工作。
DIO5000的具体应用请参考下图6所示:
图6 - DIO5000应用电路
DIO5000提供绿色QFN2*1.5-10的DIO5000QN10和DQFN1.8*1.4-10封装的DIO5000LP10,提供客户设计的灵活性,可工作于-40°C至+85°C的环境温度范围。
DIO5000QN10 DIO5000LP10
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