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USB3.0可靠性设计方案

浏览数量:1     作者:本站编辑     发布时间: 2014-07-22      来源:本站

  USB是当今最成功的PC接口,安装数量超过60亿,在PC和接口设备上的普及率接近100%。虽然高速USB的480Mbps数据传输速度可满足许多消费者现有的需求,但是与日俱增需求(如高清视频和更快速的数码影音文件的下载)推动了SuperSpeed USB(3.0)的发展。一般接口的新一代规格,其数据传输速度通常要增加两倍,而USB3.0的带宽却增加了十倍。此外,USB3.0规格不再使用简单的主从式、封包广播式的数据传输架构,而是使用更加复杂的双向封包交换架构。

  USB3.0系统设计师面临的最主要挑战是解决5Gbps信号传输速度所带来的问题,设计师必须解决包括系统对信号衰减和抖动增加的敏感度等问题。此

外,USB3.0对USB2.0接口的向下兼容性让问题更复杂,因为USB2.0原本是为较低传输速率而设计。

  产品设计师碰到最大的问题也许是达到消费者延续对上一代USB产品的低价期待。USB3.0使用了双倍数据率技术,将传输速率增加到最高5Gbps,因而需要高速信号完整性的解决方案。在最长可到3米的线缆、多个接口和PCB板上的长途线路上传送高速信号,产品设计师必须谨慎处理信号衰减和抖动问题。

显示了发送器端的开眼图和接收器端的闭合眼图

  图1:显示了发送器端的开眼图和接收器端的闭合眼图

  信号裕度预算

  与低速信号相比,高速度信号的质量损失更加多,由PCB线路、连接器和线缆所造成的信号损耗累计起来将快速损害信号质量。根据信号裕度的要求,USB3.0容许的通道损耗(由发送器眼图到接收器的眼图)在2.5GHz下为6~9dB。此外,SuperSpeed一般有-3.5dB的去加重,这样全部的信号损耗预算为9.5~12.5dB。

  为满足兼容性要求,USB3.0信号必须可以通过3米长的线缆,并保持信号眼图开口有足够的宽度。但这只是部分的路径,因为在兼容性测试中测量的是接收器经过均衡化处理过后的信号。举例来说,在一般的笔记本电脑架构中,USB控制芯片到连接器的距离大约是10英寸,因此信号实际上可能另外经过大约半米的路径和数个连接器。

  在一般的笔记本电脑至外围设备的应用中,信号会经过长于12英寸的PCB线路(10英寸线路在笔记本电脑中,2英寸在接口设备中),这将导致3.552dB的线路损耗(12英寸 x0.296dB/英寸,使用9/10/9 FR4走线,2.5GHz信号速度,不包括任何PCB导通孔)。加上每一个连接器产生的-1dB损耗,通过两个连接器产生的损耗一共是2dB,因此留给线缆的信号损耗预算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信号对线缆、2.50GHz速度的信号衰减大约是在34AWG的4.4dB/m到 26AWG的1.9dB/m范围内。表1列出了根据这些数字计算出的能符合USB3.0规范的SDP线缆的最大长度。表1中第三列到最后一列显示,如果不使用信号调节产品,即便高质量的28AWG线缆,也无法达到USB3.0规范要求的3米长度。

  产品制造商可以选择使用高质量的 26AWG SDP线缆来通过认证测试,但是这种线缆非常贵,如果随产品出货,线缆的成本会大幅增加产品的成本。此

外,即使随产品出货这种线缆,也无法保证使用者不会混用到其它低质量的线缆。虽然在产品上可以强调必须使用适当的线缆,但USB产品的使用者已经习惯了在连接产品时不需担心线缆的质量。这里的关键问题,是当由于使用低质量的线缆连接产品而造成产品效能低的时候,使用者会直觉地认为是产品的问题而不是线缆的问题。这可能会造成较高的产品退货率,并且大幅减少采用USB3.0规格产品的早期利润。另一个影响新科技采用率的重要因素是使用的困难度,如果使用者感觉USB3.0技术很难使用,将严重影响市场的成长。

与图1相同,但在每个连接器端都有转接驱动器。缩短(drop)“信号通道”。显示了发送器端的开眼图和接收器端的闭合眼图

  图2:与图1相同,但在每个连接器端都有转接驱动器。缩短(drop)“信号通道”。显示了发送器端的开眼图和接收器端的闭合眼图

  使用信号调节技术恢复信号质量

  当信号质量由于抖动(抖动)和衰减而下降时,可以采用信号调节器件恢复信号质量。信号调节器件也被称做转接驱动器(redriver),因为信号在被传送之前重新被驱动(redriven)。转接驱动器可以放在发送器和接收器之间,可以恢复、调节、再发送接收到的信号。

  如果放在接收器之前,转接驱动器可以有效打开信号眼图的开口,从而将信号质量恢复到可以接收的范围内。转接驱动器可以调节信号、使用信号均衡的功能减少信号衰减和抖动,因此可以在更长的距离和通过多个连接器的情况下提供干净的信号传送通道。信号可以恢复原有的强度再次传送,就像是将信号通道拆成数个段落,并且在每个段落恢复信号的质量。转接驱动器也允许产品设计师依照特定的应用类型调整最佳的信号均衡效果,因此可以确保设备可以通过最严格的USB3.0认证要求。

  信号调节功能可以增加信号裕度,让产品设计工程师有更多的空间来扩展信号传送距离,或更灵活地设计信号在PCB上传送的路径,特别是在可能要求使用较少层的PCB以达到更好的信号与接地隔离,或是有更大的机会一次设计就能通过验证情况下。经过改善的信号质量不但可以给设计工程师带来信号链上更多的灵活度和选择,也可以因较低的比特误码率而增加产品稳定性,减少传送错误,从而增加实际有效的信息吞吐量且让系统工作更有效。

  在设备需要经常被连接和移除的消费应用中,自适应信号均衡功能有最好的效果,因为使用不同长度的线缆加上可以插拔的周边设备内部的信号布线,使整体的信号通路可随时改变。例如,针对3米线缆优化的信号均衡参数,应用在没有线缆的USB移动存储上时会损害信号的完整性。转接驱动器通过持续的再适应 (retraining)可以确保针对真正的信号路径进行最佳化的调节。

  相反,如果信号的路径静止不变,转接驱动器就不需要使用再适应功能。在这种环境中,例如从来不需要移除任何线缆的服务器中,再适应功能有可能造成负面影响。在一个类似这种稳定的应用中,可配置的信号均衡功能是最好的选择。

满足USB3.0规范的最大线缆长度。

  表1:满足USB3.0规范的最大线缆长度。

  高信号质量推动成本的降低

  转接驱动器在接收器增加6dB的信号均衡度,可以大幅增加信号在SDP线缆的传送距离,因此可以帮助解决线缆方面的困扰。如果在发送器也放置转接驱动器,总共可以增加12dB的信号均衡度,可以确保信号在超过3米的34AWG线缆中传送,并通过认证测试(表1)。

  增加信号均衡度可以让信号在较长且便宜的线缆中传送,可以让消费者使用低价、有弹性、美观和较细的线缆,而无需为减少信号损耗而购买较粗且昂贵的高质量线缆。因此,如果考虑线缆的成本,使用转接驱动器不但可确保产品按照预期工作,还可以降低产品的整体成本。虽然使用转接驱动器会增加一个板上元件,但转接驱动器只占极小的PCB面积(4平方毫米),这在便携式设备中非常重要。

  静电释放(ESD)是使用转接驱动器的另一个考虑。为降低系统的成本,USB接口很有可能被集成到主要的芯片组中,这样不但USB接口控制器件对ESD没有防备,而且整个芯片组都有可能被损坏,造成整个系统无法使用。因为转接驱动器芯片位于连接器与发送器/接收器之间,所以可以隔绝内置USB接口的芯片组。如果有ESD事件发生,转接驱动器可以保护系统的控制芯片,在最坏的情况下只损失单个USB接口,让系统的其他功能正常工作。

  转接驱动器必须有认知通讯协议的能力才能高效率地发挥信号平衡功能。由于转接驱动器没有设备身份识别ID,所以无法像USB终端设备一样中止信息传递。如果转接驱动器可以辨识通讯协议,便可支持接收器侦测和电气闲置等功能,而不仅是回复和传送信号。理想情况下,转接驱动器将支持USB3.0规范定义的连续时间线性均衡技术,该技术与发送器期望远端终端设备用来均衡信号的技术是相同的。最后,转接驱动器必须在不被察觉的情况下工作,否则转接驱动器之后的根设备(root device)将不会被辨认,即使这种情况在实验室中可以工作,但在实际应用中则不行。

  双向信号调节

  实现消费应用是使用者期待USB3.0的价格于USB2.0一样。USB2.0的一个重要设计考虑是能以很便宜的价格进行生产,因此许多制造厂商会错误地认为可以用同样的方式生产USB3.0设备。此外,必须降低成本的压力将使制造商考虑使用低质量线缆,或是让接收器解决信号调节问题等快捷方式。因为市场对低价的集线器和周边设备的期待,将有制造商生产这些产品,并且使用高质量的线缆达到通过认证测试所需要的结果。但是,一般的使用者却希望使用任何的USB线缆,系统都能稳定工作。

  在这种情况下,有责任心的制造厂商不得不面对市场上充斥着次级产品的问题:这些产品有价格上的优势,但是当连接到只有接收器有信号调节功能的设备时,可能不能稳定地工作。也就是说,这些设备可以稳定地接收信号,但是当向这些次级产品传送信号时却出现性能明显降低甚至出错。举例来说,一个外接硬盘因为不良的信号质量,不断发出接收器错误的信息,使用者会认为这是硬盘的问题,而不是用在其它产品时看起来没有问题的低质量线缆或是集线器设备的问题,这将导致退货增加,损失赢利。

  在每一个外接的连接器上都装一个接收用的转接驱动器,可以确保信号在进入和离开时都可以得到正确恢复。此外,如果也对传送出去的信号做调节处

理,就算其它设备没有在接收器做信号调节,产品设计工程师也可以确保设备通过任何长度的线缆,并与其它设备互通。

  市面上的转接驱动器产品分单通道和双通道两种。双通道转接驱动器在接收和传送信号通道都具有信号调节的功能,因此可以确保与没有接收信号调节功能的低质量设备的连接。单通道转接驱动器具有可以分开调节接收和传送信号路径的灵活性。

  另一个使用转接驱动器产品时的特点是电源电压的灵活性。例如,服务器通常使用1.2V电压,而PC使用3.3V电压,一个可以选择前面任一个电压的转接驱动器产品可以满足两个市场,因此可以用更大的整体出货量来压低价格。,此外,其内置的LDO功能则可以节省一个外接的LDO元件。

  有关时钟和信号交换的问题

  USB控制器芯片、器件、终端设备、集线器和内置USB接口的处理器都需要一个准确可靠的时钟源。时钟信号在保持良好的SuperSpeed USB信号质量方面扮演着非常重要的角色,因为当时钟速度增加时,可用的抖动预算就减少了。

  把时钟技术看成一种陈旧的技术是一个常见误解。事实上,时钟技术(尤其是在高速度时)是极精密的技术。由于高速度时钟比较昂贵,比较节省成本的方法是把较低速度的时钟信号以数倍增加。但是,把低速度的时钟信号数倍增加到高速度时,所产生的抖动也会以同样倍数放大,从而占用了有限的信号裕度。产品设计师的挑战是平衡输入速度(等同价钱)和产生的抖动,因此时钟缓冲器只能容许非常低的抖动,这样当时钟信号倍增时,不会产生过大的抖动。

  同样,USB交换器必须提供平滑转换。比如,交换器可以减少扩展坞等实际应用中使用的信号接口,降低成本。通过保持低电阻和低阻抗,交换器可以保持低的输入信号损耗,不让信号的瑕疵反馈到发送器,从而保持信号完整性。

  使用USB管理智能以节省耗电

  许多消费型USB3.0终端设备使用电池,因此USB3.0具有几个新的省电模式,包括闲置(idle)、睡眠和暂停(suspend)模式。产品设计师可以利用这些新功能,关闭转接驱动器信号电路以延长产品工作时间。

  USB接口是双通道,传送和接收通道可以单独开关。发送器的转接驱动器的电源管理比较简单,当没有信号传送时可以直接进入睡眠模式。USB有热插拔的能力,管理接收器较为复杂,因为随时都有可能接收信号,转接驱动器必须具有支持复杂前端信号侦测能力的机制,才能保持器件的透明性。

  当有连接到其它设备时,转接驱动器可以更频繁地利用电气闲置阈值电压(electrical idle threshold)来检查是否有信号传输。当信号在阈值电压下,表示没有信号输入,可以进入深层睡眠模式。这个阈值电压一般是100mV,但如果想要增加通过长距离线缆传送的低电压信号的敏感度,可以将它调节到更低的60mV。例如,数码电视的USB接口可能连接其它非常远的电子装置,因此需要较高的敏感度来侦测信号。服务器应用中的USB3.0接口,因为使用较长的PCB布线,比较低的阈值电压也是较好的选择。

  USB3.0

  熟悉PCI Express Gen 2的产品设计师,可能会比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0设计,因为USB3.0和PCI Express Gen 2使用相似的链接初始化、封包结构和错误修复方式。此外,这两种通讯协议使用完全相同的发送和接收模块和单元,包括加扰码、8b/10b编码、串行器/解串器等。

  USB3.0和PCI Express Gen 2的相似之处会大大减少PCI Express Gen 2的应用,特别是因为USB3.0的信号传输量和不需要再次转译通讯协议到USB的特性。举例来说,USB3.0已经设计在扩充坞里,因为USB3.0不像PCI Express Gen 2信号需要再次转换(需要使用HBA 或是PCI-USB控制器)。使用USB3.0扩充坞就将有集线器扇出信号的功能,因此可简化整体架构并且减少成本。

  USB是当今最普遍的消费电子产品通讯协议,与PCI Express相比占有强大的优势。因为USB3.0连接器和控制器必须向下支持USB2.0设备,从PCI Express Gen 2平台转向USB3.0的供应商可以立即进入这个庞大的市场。向下支持USB2.0协仪的确增加了设计USB3.0产品的难度,但由于USB2.0和 USB3.0共享连接器,所以大多数难题都在芯片设计当中。

  PCI Express Gen 2仍然在明确的芯片外接口占有一席之地,包括处理器的内部总线接口和其它的服务器、储存、嵌入式应用等。当然,这现存的优势的前提是PCI Express Gen 2仍是主要的内置接口。

  预计USB3.0将和其它新的和旧的接口规格竞争,如HDMI、DisplayPort、PCI Express、DVI等连接监视器的接口。USB3.0有高的通道宽度和低的价格,当集成至芯片组之后,没有理由不会用来连接监视器。USB3.0不会完全取代HDMI和DisplayPort通讯协议,因为它们各自都有增加自己的应用范围。比如,HDMI因为具有反向通道能力而在监控摄像机市场具有影响力。但能预期的是,USB3.0将蚕食那些正在使用至少一个USB接口的其它通讯协议应用的市场占有率。

  USB3.0在很多方面会改变电子市场的现状,但为要达到高性能和稳定性,必须使用信号调节产品来补偿PCB、连接器、以及最重要的线缆信号损耗。消费应用无法接受用来保持信号完整性的高价的高速度元件,但也不能忍受信号完整性问题带来的应用性能和可靠性下降。如果在发送器和接收器端使用转接驱动器恢复信号质量,工程师可以保持良好的信号裕度,以便用更长的线缆,或使PCB布线有更高的灵活性。他们也将确保产品的设计不仅可以通过严格的USB3.0认证测试,也可以使用低质量的线缆并与其它USB3.0设备具有很好的互操作性。

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