由於許多應用都需要更高的資料吞吐量，PC周邊和行動通訊設備將從USB全速（12Mbps）轉向高速（480Mbps）發展。這種轉換為低功耗、高速度的USB開關帶來無限的需求潛力，在協助設計人員提高信號完整性和減低信號反射方面不可或缺。

在亞洲，許多製造商不再單單扮演純粹製造的角色，而逐漸強化研發能力。隨著地區內實力雄厚的可攜式電子設計公司不斷擴張，以及彼此間的競爭日益激烈，先進技術如高速 USB 介面等在所有市場區間的應用將會持續，以實現設備的多功能應用。同時可攜式市場中極短的新產品設計周期和關鍵的上市時間限制，這一技術更顯重要。選擇正確的USB開關可協助設計人員加強現有設計以大幅縮短設計周期，而不必由零開始重新設計。

本文將探討USB開關在提升性能方面發揮關鍵作用的應用，如手機、MP3播放器、可攜式媒體播放器、無線USB驅動器及其它USB配件。針對每一種應用，本文將闡釋 USB 開關的主要參數對應用的總體設計有何影響，還會討論關鍵的設計挑戰，如何在頻寬要求和信號反射之間作出權衡，也會在信號眼圖眼開（eye opening）最大化和非線性失真最小化方面給出一些建議，以便加快應用的開發。

應用實例

MP3 和可攜式媒體播放器

亞洲的MP3播放器與可攜式媒體播放器市場高速成長，尤其是在韓國和中國大陸。由於消費者需要更精巧、更便於攜帶的MP3播放器與媒體播放器，傳統的大型頭戴式耳機連接器已成為這種精巧型設計的障礙。為了去掉頭戴式耳機連接器，可以使用微型AB式USB連接器，在USB資料流程和音訊輸出之間共用同一個USB連接器，而實現精巧的設計。對於高速USB訊號來說，訊號邊緣可高達500ps。如(圖一)所示，此處一般需要USB開關來截斷USB模式下音訊輸出的線路，以便將因連接器D+和 D-管腳上的懸掛線路引起的反射減至最小。在訊號邏輯狀態轉換中間的任何反射或彎曲都有可能造成位元誤碼率，且違反高速USB連接對500ppm的精確度要求。

《圖一　MP3與可攜式媒體播放器設計中的低總諧波失真高速USB開關》

從音訊模式切換到USB模式時，在檢測到有效的VBUS插入時，可不必立即切換到USB功能，而是利用一個設計技巧以獲得更高的ESD性能。對於圖一中的架構，假設原始狀態是音頻狀態，那?只有在VBUS管腳上檢測到有效電壓，顯示有外部USB連接插入時，USB功能才被啟動。當檢測到這種插入時，DSP內核能夠延遲 USB 開關各選擇引腳的通/斷（ON/OFF）操作，以便從音頻通道切換到USB通道。這種延遲能夠保護內部昂貴的DSP晶片組免受外部ESD事件所影響。而延遲時間的長短由設計人員決定。較長的延遲有助於承受較嚴重的ESD事故。一般來說1到10ms的延遲已經足夠。利用這種方法，USB資料匯流排上的ESD事件將由較便宜的USB開關來承受，USB開關ESD性能比DSP內核晶片組高得多。當DSP內核晶片USB資料輸出端（D+/D-）被連接到外部電纜時，內部DSP資料埠的ESD事件在這種延遲後幾乎變得微不足道。此處的USB開關不僅可以減低信號反射以提高信號完整性，還能夠主動保護系統晶片組免受插入時的ESD事件影響。對於這類應用，高頻寬的開關有助於在USB模式下把USB信號邊緣失真減至最少。在音頻模式下（輸出到32歐姆的耳機），足夠低的導通電阻（典型值為5歐姆）和較低的總諧波失真（THD）對於減少音頻失真非常重要。

Wireless USB配件

就網路連接的便利性而言，WLAN所帶給用戶的自由度和行動性，使其受到辦公室和家居應用的廣泛歡迎。對於桌上型PC，USB無線網路卡是簡單的方案，無需打開PC即可進行無線連接。只須插入USB無線網路卡，就能夠無線上網。此外，在商務旅行時，帶有儲存功能的USB無線網路卡為終端用戶提供一個方便的途徑，在無線上網功能和儲存功能之間進行切換，以便將下載的檔案保存於網路卡中的快閃記憶體裏。不過，正如前所述，大多數記憶體如硬碟驅動器或緊湊型快閃記憶體控制器等都具有高速USB介面，但未被整合到WLAN PHY中。高速USB開關便可以解決這個設計難題，這是因為它能在快閃記憶體和無線功能（由機械開關或來自軟體控制器的指令所控制）之間切換。(圖二)是應用示意圖，顯示高頻寬USB開關如何用於這類應用中。一般而言，頻寬和功耗是這類應用的兩項關鍵規格。高速USB（480Mbps）一般具有240MHz基頻和720MHz、1.2GHz 和 1.68GHz的諧波分量。此頻率分量通過開關時伴隨較快的邊緣速率。開關的頻寬應夠高以使高速USB訊號的第三次諧波能夠通過（>720MHz），且其邊緣失真很少。當然，由於無線USB網路卡的功耗大部分來自主機匯流排，因此低功耗是必需的。對於這類應用來說，小而薄的封裝十分重要，因為USB無線網路卡的PCB空間非常有限。

《圖二　 無線USB配件應用中的寬頻USB開關》

手機

隨著高階手機設計中LCD 平面顯示器和相機的解析度日益提高，市場需要容量更大的記憶體，如嵌入式硬碟驅動器或尺寸更小的外部儲存卡。目前手機設計中使用的解決方案大多是獨立式硬驅動控制器，帶有USB介面與PC主機通訊。對於位址簿或其他資料同步功能，仍然需要基頻處理器的傳統全速I/O，而手機單一USB埠成為了設計中的挑戰。如(圖三)所示的低功耗高速USB開關便是這類應用的必需開關，在儲存控制器USB I/O和基頻處理器USB I/O之間進行切換。市場上傳統的USB開關設計帶有電荷泵架構，其靜態功耗高達0.8mA或以上。快捷半導體的720MHz頻寬、1uA功耗、高頻寬、低功耗和小封裝的開關如FSUSB20是理想的選擇。FSUSB20採用MicroPak封裝， 所佔用的PCB面積僅為3.36mm2，因此適合手持及攜帶型產品使用。

《圖三　超可攜式應用中的高吞吐量USB開關》

設計和佈局建議

USB開關的佈局存在著一個設計權衡，很難將開關阻抗精確地保持在45歐姆。由於高速USB訊號的上升/下降時間快至500ps，開關阻抗可能因傳輸線路的影響而引起反射。為了避免反射，USB開關應放置在接近USB控制器或收發器輸出端的位置。這樣放置後，開關可視為USB控制器輸出端的集中負載。當反射最小時，把開關放在靠近控制器的位置可能會迫使控制器的輸出電容變成開關的負載，導致開關-3db頻寬的收縮。頻寬越低，高速USB訊號的邊緣速率越慢，還可能造成相位抖動或雜訊增加。因此在最小訊號反射和頻寬收縮之間，存在一個權衡。具有足夠頻寬餘量的USB開關正是所需。設計人員需要知道的是，USB開關並沒有內建均衡功能。如果USB控制器輸出信號眼圖（eye diagram）沒有餘量，又或在資料路徑中沒有開關的情況下已使高速USB eye mask失效，那?，插入USB開關也無助於擴大眼界（eye opening）。

對於ESD保護二極體，要求低的ESD元件的I/O電容（<1 pf）以減小匯流排負載。最好把ESD元件放在接近連接埠的位置，以獲得可靠的鉗位元電壓，並同時使負載對USB 開關的影響降至最小。最好也把 USB 控制器和連接器之間的線路長度減至最小，並均等地載入相同的差分線，以便將差分對內延遲差（intra pair skew）降至最低。較短的連線有助於提高資料路徑的資料頻寬。

結語

隨著高速USB功能在可攜式或掌上型應用中日趨流行，採取小型封裝的超低功耗及高頻寬USB開關變得非常重要，它有助於填補在技術轉換期中USB全速和高速功能之間出現的缺口。這些USB開關不僅能提高系統設計的訊號完整性，而且可以縮短產品上市時間。這些因素是生產手機及其它可攜式產品的設計公司重要考慮事項，因為消費者的需求會帶動創新的進行，縮短設計和製造周期。鑒於亞洲在全球手機市場中佔主導地位，這些因素對於該區市場的發展尤其重要。（作者為Fairchild快捷半導體類比信號產品亞太區技術市場經理）