USB3.0可靠性设计方案

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。

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。

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。

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。