十年前,USB接口很简单:
5V供电,D+ / D- 两根线,地,没了,顶多是物理形态的不一样。
现在呢?
一个Type-C口可能同时承担:
USB3.2 10Gbps 差分信号
DP Alt Mode 视频
PD 20V/28V 高压
正反插自动识别
多路信号复用
ESD、过流、浪涌保护
这已经不是一个简单的接口问题了,而是一个高速信号的路由系统。信号的通断、切换和路由是方案开发中经常出现的需求,而这里面,有一个核心元器件非常重要,就是高速模拟开关。
沁恒做了一件很少有人做的事
提起沁恒,大部分人记忆中都是,跟USB相关的芯片,先找沁恒。没错,沁恒不止出过多款爆款USB芯片,还做了一个模拟开关芯片产品大全(约30款),覆盖了:
| 功能 |
|---|
| USB2.0 |
| USB3.0 |
| USB3.1 |
| Type-C的DP视频传输 |
| PCIe Gen1/2/3 |
| SATA/SAS |
| Type-C正反插 |
| 高压耐受 |
| 矩阵路由 |
| 高速差分 |
下面我们重点介绍几款:
1、CH44x系列低阻模拟开关芯片
CH44x系列模拟开关主要面向480Mbps的USB2.0和频率在1GHz以下的应用,包含从CH440到CH449的多个型号,覆盖1路二选一、2路二选一、2路四选一、2路八选一、4路二选一、1路十六选一、2路四交换四、16x8阵列、24x5阵列等等。
其中,CH442Q 是一款低阻、高带宽的 DPDT 双向模拟开关芯片,每路 2 选 1,总共支持 2 组信号的切换。
CH442主要用来在 USB 或视频等高速差分信号路径上做“二选一”或信号切换,性价比高、体积小(QFN10L14X18),1.4x1.8mm,在国产 USB2.0 相关外设、KVM、信号切换器中很常见。
比如,我们有一个控制器,对外只有一个USB-C口,我们需要用它实现两种功能:
功能一:USB-C口可以连接到主控MCU,进行固件更新或者传输数据。
功能二:USB-C口可以切换到板载的串口转USB(如CH340、CH343),此时工程师可以直接查看日志输出。
此时,我们用CH442Q就可以非常方便的进行切换,用跳线帽或者程序控制IN引脚的高低电平即可进行切换。
CH44x系列型号很多,大家可以根据自己的应用进行选择。
性能方面,双8选1模拟开关CH448,相比老式8选1开关,导通电阻下降了10倍,速度和带宽都得以明显提高。
CH449 是4x4 矩阵的差分信号模拟开关芯片。包含32 只模拟开关,分为两组,分布于两个4x4信号通道矩阵的各个交叉点,每只模拟开关都可以独立的开启或者关闭,从而实现4x4 差分信号通道的任意动态连接。
这个就好玩儿了,通过Matrix Switch,自由度高,可以用于视频或者USB 差分信号四进四出之间的动态交换和组合切换。
2、CH48x系列超高速模拟开关芯片
如果说CH44x系列芯片是国道,那么CH48x系列就是高速。
CH48x系列芯片面向5Gbps超高速USB3.0等频率在GHz级别的应用,可以理解为USB3.0信号的“高速交通枢纽”,包含CH481到CH486的多个型号,让5Gbps、10Gbps的信号在不同线路之间安全、快速地切换。
它解决的核心问题是:
在设备里需要让USB3.0信号在多条线路之间切换,同时保证超高速信号的完整性。
同系列芯片:
特别地,2路差分信号二选一的CH482X的典型带宽为10GHz,可以用于USB 3.1 Gen2即Super Speed+、PCIe Gen1/2/3、 SATA/SAS 3G/6G、Display Port 等信号的切换。
芯片优势:
CH483M和CH483X在包含CH482D全部模块的基础上,还另包含1路差分高速信号二选一模拟开关,合计QPDT+DPDT,可以用于USB 3.0 Super Speed & USB 2.0 High Speed、PCIe Gen1/2 & Refclk、Display Port等3路差分信号的二选一切换。下图是一个USB3.0 Share的Demo,采用了CH483M:
一个开源项目,专为PiKVM 打造的开源KVM 切换器,不仅可以切换HDMI 和USB 信号,还可以切换ATX 信号,其中用了CH483M:
3、CH9441 Type-C自适应USB3.0模拟开关芯片
CH9441更像是Type-C接口里的高速交通指挥员。
在 Type-C 接口中,由于插头可以正反插,超高速信号线路其实有两套。
CH9441的作用就是自动判断Type-C插头正反方向,并把USB3.0的超高速信号切换到正确的线路上,既能用于Type-C供电端,也能用于受电端的应用。同时芯片内部集成了高压LDO,支持3.3V、5V、12V、20V或28V等电源电压。
CH9441带宽高,支持6Gbps差分信号,支持SS超速USB3.2 Gen1信号,4个双向二选一模拟开关QPDT,组成2对差分通道。普通的A口母座加一个CH9441,就可以升级C口母座了。
相较于CH9441通过CC引脚识别Type-C正反插实现自动切换,CH9440则是通过SEL引脚高低电平控制通道切换,支持USB 3.0 Super Speed、PCIe Gen1/2、SATA/SAS、Display Port等不同信号的切换。
CH9440的 EN# 和SEL信号电压独立于电源电压,可以直连MCU或FPGA的IO引脚,支持5V、3.3V、2.5V、1.8V等多种电压的控制信号,无需额外的电平转换电路。
需要注意CH9440内部没有高压LDO。
4、CH9442系列28V高耐压模拟开关芯片
CH9442是USB 2.0高速差分信号DPDT二选一模拟开关芯片,包含CH9442Q、CH9442X等多个型号。其中CH9442Q与前面第一点讲到的CH442Q引脚兼容,但对外端口可承受28V耐压,用于手机、PAD等同时支持高压充电和USB通讯的Type-C口,可以保护USB通讯芯片。
5、4:4、4:6交叉通道超高速模拟开关芯片CH9444、CH9445
CH9444可以实现DP1.4 8Gbps、USB3.0、480Mbps等差分信号的交叉路由切换,用于平板电脑、笔记本电脑、拓展坞的Type-C转4 Lane DP等应用。
CH9445比CH9444多了两对差分信号引脚,增加了USB3.1通道,支持USB 10Gbps差分信号,可用于Type-C转2 Lane DP+USB3等应用。
如果你在做USB Hub、Type-C扩展、超高速信号切换、测试设备、手机/平板接口设计,沁恒这套模拟开关产品线值得系统研究一遍。
416