低價位USB3.0系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方案

　　USB是當(dāng)今最成功的PC接口，安裝數(shù)量超過60億，在PC和接口設(shè)備上的普及率接近100%。雖然高速USB的480Mbps數(shù)據(jù)傳輸速度可滿足許多消費(fèi)者現(xiàn)有的需求，但是與日俱增需求(如高清視頻和更快速的數(shù)碼影音文件的下載)推動了SuperSpeed USB(3.0)的發(fā)展。

　　一般接口的新一代規(guī)格，其數(shù)據(jù)傳輸速度通常要增加兩倍，而USB3.0的帶寬卻增加了十倍。此外，USB3.0規(guī)格不再使用簡單的主從式、封包廣播式的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，而是使用更加復(fù)雜的雙向封包交換架構(gòu)。

　　USB3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最主要挑戰(zhàn)是解決5Gbps信號傳輸速度所帶來的問題，設(shè)計(jì)師必須解決包括系統(tǒng)對信號衰減和抖動增加的敏感度等問題。此外，USB3.0對USB2.0接口的向下兼容性讓問題更復(fù)雜，因?yàn)閁SB2.0原本是為較低傳輸速率而設(shè)計(jì)。

　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)師碰到最大的問題也許是達(dá)到消費(fèi)者延續(xù)對上一代USB產(chǎn)品的低價期待。USB3.0使用了雙倍數(shù)據(jù)率技術(shù)，將傳輸速率增加到最高5Gbps，因而需要高速信號完整性的解決方案。在最長可到3米的線纜、多個接口和PCB板上的長途線路上傳送高速信號，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須謹(jǐn)慎處理信號衰減和抖動問題。

　　圖1：顯示了發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。

　　信號裕度預(yù)算

　　與低速信號相比，高速度信號的質(zhì)量損失更加多，由PCB線路、連接器和線纜所造成的信號損耗累計(jì)起來將快速損害信號質(zhì)量。根據(jù)信號裕度的要求，USB3.0容許的通道損耗(由發(fā)送器眼圖到接收器的眼圖)在2.5GHz下為6~9dB。此外，SuperSpeed一般有-3.5dB的去加重，這樣全部的信號損耗預(yù)算為9.5~12.5dB。

　　為滿足兼容性要求，USB3.0信號必須可以通過3米長的線纜，并保持信號眼圖開口有足夠的寬度。但這只是部分的路徑，因?yàn)樵诩嫒菪詼y試中測量的是接收器經(jīng)過均衡化處理過后的信號。舉例來說，在一般的筆記本電腦架構(gòu)中，USB控制芯片到連接器的距離大約是10英寸，因此信號實(shí)際上可能另外經(jīng)過大約半米的路徑和數(shù)個連接器。

　　在一般的筆記本電腦至外圍設(shè)備的應(yīng)用中，信號會經(jīng)過長于12英寸的PCB線路(10英寸線路在筆記本電腦中，2英寸在接口設(shè)備中)，這將導(dǎo)致3.552dB的線路損耗(12英寸x0.296dB/英寸，使用9/10/9 FR4走線，2.5GHz信號速度，不包括任何PCB導(dǎo)通孔)。加上每一個連接器產(chǎn)生的-1dB損耗，通過兩個連接器產(chǎn)生的損耗一共是2dB，因此留給線纜的信號損耗預(yù)算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信號對線纜、2.50GHz速度的信號衰減大約是在34AWG的4.4dB/m到26AWG的1.9dB/m范圍內(nèi)。表1列出了根據(jù)這些數(shù)字計(jì)算出的能符合USB3.0規(guī)范的SDP線纜的最大長度。表1中第三列到最后一列顯示，如果不使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品，即便高質(zhì)量的28AWG線纜，也無法達(dá)到USB3.0規(guī)范要求的3米長度。

　　產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWG SDP線纜來通過認(rèn)證測試，但是這種線纜非常貴，如果隨產(chǎn)品出貨，線纜的成本會大幅增加產(chǎn)品的成本。此外，即使隨產(chǎn)品出貨這種線纜，也無法保證使用者不會混用到其它低質(zhì)量的線纜。雖然在產(chǎn)品上可以強(qiáng)調(diào)必須使用適當(dāng)?shù)木€纜，但USB產(chǎn)品的使用者已經(jīng)習(xí)慣了在連接產(chǎn)品時不需擔(dān)心線纜的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵問題，是當(dāng)由于使用低質(zhì)量的線纜連接產(chǎn)品而造成產(chǎn)品效能低的時候，使用者會直覺地認(rèn)為是產(chǎn)品的問題而不是線纜的問題。這可能會造成較高的產(chǎn)品退貨率，并且大幅減少采用USB3.0規(guī)格產(chǎn)品的早期利潤。另一個影響新科技采用率的重要因素是使用的困難度，如果使用者感覺USB3.0技術(shù)很難使用，將嚴(yán)重影響市場的成長。

　　圖2：與圖1相同，但在每個連接器端都有轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。縮短(drop)“信號通道”。顯示了發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。

　　使用信號調(diào)節(jié)技術(shù)恢復(fù)信號質(zhì)量

　　當(dāng)信號質(zhì)量由于抖動(抖動)和衰減而下降時，可以采用信號調(diào)節(jié)器件恢復(fù)信號質(zhì)量。信號調(diào)節(jié)器件也被稱做轉(zhuǎn)接驅(qū)動器(redriver)，因?yàn)樾盘栐诒粋魉椭爸匦卤或?qū)動(redriven)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以放在發(fā)送器和接收器之間，可以恢復(fù)、調(diào)節(jié)、再發(fā)送接收到的信號。

　　如果放在接收器之前，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以有效打開信號眼圖的開口，從而將信號質(zhì)量恢復(fù)到可以接收的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以調(diào)節(jié)信號、使用信號均衡的功能減少信號衰減和抖動，因此可以在更長的距離和通過多個連接器的情況下提供干凈的信號傳送通道。信號可以恢復(fù)原有的強(qiáng)度再次傳送，就像是將信號通道拆成數(shù)個段落，并且在每個段落恢復(fù)信號的質(zhì)量。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器也允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)師依照特定的應(yīng)用類型調(diào)整最佳的信號均衡效果，因此可以確保設(shè)備可以通過最嚴(yán)格的USB3.0認(rèn)證要求。

　　信號調(diào)節(jié)功能可以增加信號裕度，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師有更多的空間來擴(kuò)展信號傳送距離，或更靈活地設(shè)計(jì)信號在PCB上傳送的路徑，特別是在可能要求使用較少層的PCB以達(dá)到更好的信號與接地隔離，或是有更大的機(jī)會一次設(shè)計(jì)就能通過驗(yàn)證情況下。經(jīng)過改善的信號質(zhì)量不但可以給設(shè)計(jì)工程師帶來信號鏈上更多的靈活度和選擇，也可以因較低的比特誤碼率而增加產(chǎn)品穩(wěn)定性，減少傳送錯誤，從而增加實(shí)際有效的信息吞吐量且讓系統(tǒng)工作更有效。

　　在設(shè)備需要經(jīng)常被連接和移除的消費(fèi)應(yīng)用中，自適應(yīng)信號均衡功能有最好的效果，因?yàn)槭褂貌煌L度的線纜加上可以插拔的周邊設(shè)備內(nèi)部的信號布線，使整體的信號通路可隨時改變。例如，針對3米線纜優(yōu)化的信號均衡參數(shù)，應(yīng)用在沒有線纜的USB移動存儲上時會損害信號的完整性。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器通過持續(xù)的再適應(yīng)(retraining)可以確保針對真正的信號路徑進(jìn)行最佳化的調(diào)節(jié)。

　　相反，如果信號的路徑靜止不變，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器就不需要使用再適應(yīng)功能。在這種環(huán)境中，例如從來不需要移除任何線纜的服務(wù)器中，再適應(yīng)功能有可能造成負(fù)面影響。在一個類似這種穩(wěn)定的應(yīng)用中，可配置的信號均衡功能是最好的選擇。

　　表1：滿足USB3.0規(guī)范的最大線纜長度。

　　高信號質(zhì)量推動成本的降低

　　轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在接收器增加6dB的信號均衡度，可以大幅增加信號在SDP線纜的傳送距離，因此可以幫助解決線纜方面的困擾。如果在發(fā)送器也放置轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，總共可以增加12dB的信號均衡度，可以確保信號在超過3米的34AWG線纜中傳送，并通過認(rèn)證測試(表1)。

　　增加信號均衡度可以讓信號在較長且便宜的線纜中傳送，可以讓消費(fèi)者使用低價、有彈性、美觀和較細(xì)的線纜，而無需為減少信號損耗而購買較粗且昂貴的高質(zhì)量線纜。因此，如果考慮線纜的成本，使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器不但可確保產(chǎn)品按照預(yù)期工作，還可以降低產(chǎn)品的整體成本。雖然使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器會增加一個板上元件，但轉(zhuǎn)接驅(qū)動器只占極小的PCB面積(4平方毫米)，這在便攜式設(shè)備中非常重要。

　　靜電釋放(ESD)是使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的另一個考慮。為降低系統(tǒng)的成本，USB接口很有可能被集成到主要的芯片組中，這樣不但USB接口控制器件對ESD沒有防備，而且整個芯片組都有可能被損壞，造成整個系統(tǒng)無法使用。因?yàn)檗D(zhuǎn)接驅(qū)動器芯片位于連接器與發(fā)送器/接收器之間，所以可以隔絕內(nèi)置USB接口的芯片組。如果有ESD事件發(fā)生，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以保護(hù)系統(tǒng)的控制芯片，在最壞的情況下只損失單個USB接口，讓系統(tǒng)的其他功能正常工作。

　　轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須有認(rèn)知通訊協(xié)議的能力才能高效率地發(fā)揮信號平衡功能。由于轉(zhuǎn)接驅(qū)動器沒有設(shè)備身份識別ID，所以無法像USB終端設(shè)備一樣中止信息傳遞。如果轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以辨識通訊協(xié)議，便可支持接收器偵測和電氣閑置等功能，而不僅是回復(fù)和傳送信號。理想情況下，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器將支持USB3.0規(guī)范定義的連續(xù)時間線性均衡技術(shù)，該技術(shù)與發(fā)送器期望遠(yuǎn)端終端設(shè)備用來均衡信號的技術(shù)是相同的。最后，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須在不被察覺的情況下工作，否則轉(zhuǎn)接驅(qū)動器之后的根設(shè)備(root device)將不會被辨認(rèn)，即使這種情況在實(shí)驗(yàn)室中可以工作，但在實(shí)際應(yīng)用中則不行。

　　雙向信號調(diào)節(jié)

　　實(shí)現(xiàn)消費(fèi)應(yīng)用是使用者期待USB3.0的價格于USB2.0一樣。USB2.0的一個重要設(shè)計(jì)考慮是能以很便宜的價格進(jìn)行生產(chǎn)，因此許多制造廠商會錯誤地認(rèn)為可以用同樣的方式生產(chǎn)USB3.0設(shè)備。此外，必須降低成本的壓力將使制造商考慮使用低質(zhì)量線纜，或是讓接收器解決信號調(diào)節(jié)問題等快捷方式。因?yàn)槭袌鰧Φ蛢r的集線器和周邊設(shè)備的期待，將有制造商生產(chǎn)這些產(chǎn)品，并且使用高質(zhì)量的線纜達(dá)到通過認(rèn)證測試所需要的結(jié)果。但是，一般的使用者卻希望使用任何的USB線纜，系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作。

　　在這種情況下，有責(zé)任心的制造廠商不得不面對市場上充斥著次級產(chǎn)品的問題：這些產(chǎn)品有價格上的優(yōu)勢，但是當(dāng)連接到只有接收器有信號調(diào)節(jié)功能的設(shè)備時，可能不能穩(wěn)定地工作。也就是說，這些設(shè)備可以穩(wěn)定地接收信號，但是當(dāng)向這些次級產(chǎn)品傳送信號時卻出現(xiàn)性能明顯降低甚至出錯。舉例來說，一個外接硬盤因?yàn)椴涣嫉男盘栙|(zhì)量，不斷發(fā)出接收器錯誤的信息，使用者會認(rèn)為這是硬盤的問題，而不是用在其它產(chǎn)品時看起來沒有問題的低質(zhì)量線纜或是集線器設(shè)備的問題，這將導(dǎo)致退貨增加，損失贏利。

　　在每一個外接的連接器上都裝一個接收用的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，可以確保信號在進(jìn)入和離開時都可以得到正確恢復(fù)。此外，如果也對傳送出去的信號做調(diào)節(jié)處理，就算其它設(shè)備沒有在接收器做信號調(diào)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師也可以確保設(shè)備通過任何長度的線纜，并與其它設(shè)備互通。

　　市面上的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品分單通道和雙通道兩種。雙通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在接收和傳送信號通道都具有信號調(diào)節(jié)的功能，因此可以確保與沒有接收信號調(diào)節(jié)功能的低質(zhì)量設(shè)備的連接。單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動器具有可以分開調(diào)節(jié)接收和傳送信號路徑的靈活性。

　　另一個使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品時的特點(diǎn)是電源電壓的靈活性。例如，服務(wù)器通常使用1.2V電壓，而PC使用3.3V電壓，一個可以選擇前面任一個電壓的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品可以滿足兩個市場，因此可以用更大的整體出貨量來壓低價格。，此外，其內(nèi)置的LDO功能則可以節(jié)省一個外接的LDO元件。

　　有關(guān)時鐘和信號交換的問題

　　USB控制器芯片、器件、終端設(shè)備、集線器和內(nèi)置USB接口的處理器都需要一個準(zhǔn)確可靠的時鐘源。時鐘信號在保持良好的SuperSpeed USB信號質(zhì)量方面扮演著非常重要的角色，因?yàn)楫?dāng)時鐘速度增加時，可用的抖動預(yù)算就減少了。

　　把時鐘技術(shù)看成一種陳舊的技術(shù)是一個常見誤解。事實(shí)上，時鐘技術(shù)(尤其是在高速度時)是極精密的技術(shù)。由于高速度時鐘比較昂貴，比較節(jié)省成本的方法是把較低速度的時鐘信號以數(shù)倍增加。但是，把低速度的時鐘信號數(shù)倍增加到高速度時，所產(chǎn)生的抖動也會以同樣倍數(shù)放大，從而占用了有限的信號裕度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是平衡輸入速度(等同價錢)和產(chǎn)生的抖動，因此時鐘緩沖器只能容許非常低的抖動，這樣當(dāng)時鐘信號倍增時，不會產(chǎn)生過大的抖動。

　　同樣，USB交換器必須提供平滑轉(zhuǎn)換。比如，交換器可以減少擴(kuò)展塢等實(shí)際應(yīng)用中使用的信號接口，降低成本。通過保持低電阻和低阻抗，交換器可以保持低的輸入信號損耗，不讓信號的瑕疵反饋到發(fā)送器，從而保持信號完整性。

　　使用USB管理智能以節(jié)省耗電

　　許多消費(fèi)型USB3.0終端設(shè)備使用電池，因此USB3.0具有幾個新的省電模式，包括閑置(idle)、睡眠和暫停(suspend)模式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以利用這些新功能，關(guān)閉轉(zhuǎn)接驅(qū)動器信號電路以延長產(chǎn)品工作時間。

　　USB接口是雙通道，傳送和接收通道可以單獨(dú)開關(guān)。發(fā)送器的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的電源管理比較簡單，當(dāng)沒有信號傳送時可以直接進(jìn)入睡眠模式。USB有熱插拔的能力，管理接收器較為復(fù)雜，因?yàn)殡S時都有可能接收信號，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須具有支持復(fù)雜前端信號偵測能力的機(jī)制，才能保持器件的透明性。

　　當(dāng)有連接到其它設(shè)備時，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以更頻繁地利用電氣閑置閾值電壓(electrical idle threshold)來檢查是否有信號傳輸。當(dāng)信號在閾值電壓下，表示沒有信號輸入，可以進(jìn)入深層睡眠模式。這個閾值電壓一般是100mV，但如果想要增加通過長距離線纜傳送的低電壓信號的敏感度，可以將它調(diào)節(jié)到更低的60mV。例如，數(shù)碼電視的USB接口可能連接其它非常遠(yuǎn)的電子裝置，因此需要較高的敏感度來偵測信號。服務(wù)器應(yīng)用中的USB3.0接口，因?yàn)槭褂幂^長的PCB布線，比較低的閾值電壓也是較好的選擇。

　　USB3.0

　　熟悉PCI Express Gen 2的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，可能會比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0設(shè)計(jì)，因?yàn)閁SB3.0和PCI Express Gen 2使用相似的鏈接初始化、封包結(jié)構(gòu)和錯誤修復(fù)方式。此外，這兩種通訊協(xié)議使用完全相同的發(fā)送和接收模塊和單元，包括加擾碼、8b/10b編碼、串行器/解串器等。

　　USB3.0和PCI Express Gen 2的相似之處會大大減少PCI Express Gen 2的應(yīng)用，特別是因?yàn)閁SB3.0的信號傳輸量和不需要再次轉(zhuǎn)譯通訊協(xié)議到USB的特性。舉例來說，USB3.0已經(jīng)設(shè)計(jì)在擴(kuò)充塢里，因?yàn)閁SB3.0不像PCI Express Gen 2信號需要再次轉(zhuǎn)換(需要使用HBA 或是PCI-USB控制器)。使用USB3.0擴(kuò)充塢就將有集線器扇出信號的功能，因此可簡化整體架構(gòu)并且減少成本。

　　USB是當(dāng)今最普遍的消費(fèi)電子產(chǎn)品通訊協(xié)議，與PCI Express相比占有強(qiáng)大的優(yōu)勢。因?yàn)閁SB3.0連接器和控制器必須向下支持USB2.0設(shè)備，從PCI Express Gen 2平臺轉(zhuǎn)向USB3.0的供應(yīng)商可以立即進(jìn)入這個龐大的市場。向下支持USB2.0協(xié)儀的確增加了設(shè)計(jì)USB3.0產(chǎn)品的難度，但由于USB2.0和USB3.0共享連接器，所以大多數(shù)難題都在芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中。

　　PCI Express Gen 2仍然在明確的芯片外接口占有一席之地，包括處理器的內(nèi)部總線接口和其它的服務(wù)器、儲存、嵌入式應(yīng)用等。當(dāng)然，這現(xiàn)存的優(yōu)勢的前提是PCI Express Gen 2仍是主要的內(nèi)置接口。

　　預(yù)計(jì)USB3.0將和其它新的和舊的接口規(guī)格競爭，如HDMI、DisplayPort、PCI Express、DVI等連接監(jiān)視器的接口。USB3.0有高的通道寬度和低的價格，當(dāng)集成至芯片組之后，沒有理由不會用來連接監(jiān)視器。USB3.0不會完全取代HDMI和DisplayPort通訊協(xié)議，因?yàn)樗鼈兏髯远加性黾幼约旱膽?yīng)用范圍。比如，HDMI因?yàn)榫哂蟹聪蛲ǖ滥芰Χ诒O(jiān)控?cái)z像機(jī)市場具有影響力。但能預(yù)期的是，USB3.0將蠶食那些正在使用至少一個USB接口的其它通訊協(xié)議應(yīng)用的市場占有率。

　　USB3.0在很多方面會改變電子市場的現(xiàn)狀，但為要達(dá)到高性能和穩(wěn)定性，必須使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品來補(bǔ)償PCB、連接器、以及最重要的線纜信號損耗。消費(fèi)應(yīng)用無法接受用來保持信號完整性的高價的高速度元件，但也不能忍受信號完整性問題帶來的應(yīng)用性能和可靠性下降。如果在發(fā)送器和接收器端使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器恢復(fù)信號質(zhì)量，工程師可以保持良好的信號裕度，以便用更長的線纜，或使PCB布線有更高的靈活性。他們也將確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅可以通過嚴(yán)格的USB3.0認(rèn)證測試，也可以使用低質(zhì)量的線纜并與其它USB3.0設(shè)備具有很好的互操作性。