USB3320中文手册

USB3320是一款高度集成的USB 2.0收发器，由Microchip公司生产，旨在简化高速USB物理层（PHY）的设计。它通常与USB控制器芯片搭配使用，为USB数据传输提供物理接口和电平转换功能。本手册旨在为工程师和开发者提供一份全面、深入的中文参考指南，详细介绍USB3320的各项功能、工作原理、引脚定义、寄存器配置、应用电路设计以及常见问题排查。

第一章：概述与核心特性

USB3320是一款全功能USB 2.0高速PHY芯片，支持12Mbps的全速（Full-Speed）、480Mbps的高速（High-Speed）以及1.5Mbps的低速（Low-Speed）数据传输速率。它集成了所需的USB信号收发、终端匹配电阻、上拉电阻以及时钟生成等功能，大大简化了外部元件的设计。这款芯片采用小巧的32引脚QFN或36引脚QFN封装，适用于对尺寸敏感的便携式设备，如智能手机、平板电脑、数码相机和各种嵌入式系统。

USB3320的核心优势在于其出色的性能和灵活性。它符合USB 2.0规范，能够确保与所有USB 2.0兼容设备的互操作性。芯片内部集成了高精度PLL（锁相环），能够从一个外部晶振（通常为19.2MHz、24MHz、25MHz或27MHz）产生所有需要的时钟信号，而无需外部时钟合成电路。此外，它还支持各种接口模式，包括UTMI+（USB Transceiver Macrocell Interface Plus）和ULPI（UTMI+ Low Pin Interface），使得它能够灵活地与各种USB控制器芯片连接。ULPI接口尤其值得关注，它通过减少引脚数量（12或15个引脚）简化了PCB布线，并降低了系统的功耗。USB3320还具备低功耗特性，支持多种省电模式，例如ULPI模式下的ULPI suspend和高速模式下的High-Speed suspend，有助于延长电池供电设备的使用寿命。

除了基本的收发功能，USB3320还提供了一些高级特性。例如，它支持非驱动器模式（non-driving mode），允许芯片在不进行数据传输时进入低功耗状态。它还具备一个内置的Soft Reset功能，可以被外部控制器或ULPI接口的特殊命令触发，用于重置芯片状态。此外，USB3320还支持OTG（On-The-Go）功能，这使得设备能够根据连接的设备角色动态地在主机（Host）和设备（Device）之间切换，这在许多现代移动设备中非常有用。通过OTG功能，一个设备既可以作为主机来连接U盘或键盘，也可以作为设备来连接到PC上进行数据同步。这些丰富的特性使得USB3320成为高性能、低功耗USB 2.0 PHY设计的理想选择。

第二章：引脚定义与功能详解

理解USB3320的引脚功能是正确设计硬件电路的基础。USB3320通常有32引脚QFN和36引脚QFN两种封装，本章主要以常见的32引脚QFN封装为例进行详细说明。引脚的功能可分为电源引脚、USB信号引脚、ULPI/UTMI+接口引脚、控制引脚和时钟引脚。

2.1 电源引脚

• VCC: USB3320的主电源输入引脚，通常为3.3V。此引脚为芯片的核心逻辑电路供电。为了确保电源的稳定性，在靠近此引脚处应放置一个0.1uF的去耦电容和一个10uF的旁路电容，用于滤除电源噪声并提供瞬时电流。

• VDD18: 内部1.8V核心电路的电源输入。在大多数应用中，此引脚应连接到外部3.3V电源，芯片内部会有一个LDO（低压差线性稳压器）将其降压至1.8V。为了获得最佳性能，此引脚同样需要适当的去耦电容。

• VBUS_VALID: USB VBUS电压有效性检测引脚。当VBUS电压超过阈值（通常为3.2V）时，此引脚输出高电平，表示VBUS有效。这对于OTG应用非常重要，可以用于检测USB连接的存在。

• DP_PULLUP: USB D+上拉电阻的控制引脚。当此引脚为高电平时，内部的1.5kΩ上拉电阻被连接到D+引脚，将USB设备标识为全速或高速设备。在没有连接USB控制器的情况下，此引脚可用于测试USB连接状态。

• DP_PULLDOWN, DM_PULLDOWN: USB D+/D-下接电阻控制引脚。通常在ULPI接口模式下使用，用于控制接收端的终端匹配电阻。

• GND: 芯片地。所有地引脚应连接到PCB的公共地平面。

2.2 USB信号引脚

• DP, DM: USB差分数据线引脚。这些引脚直接连接到USB Type-A/B/C连接器的D+和D-引脚。设计时需要特别注意差分阻抗匹配，通常为90Ω±15%，以确保信号的完整性。

2.3 ULPI接口引脚

ULPI接口是USB3320最常用的接口模式，因为它引脚少、功耗低。ULPI接口引脚包括：

• DATA[7:0]: 8位双向数据总线。用于传输USB数据以及ULPI命令和状态信息。

• DIR: 方向控制引脚。当DIR为高电平时，DATA总线为输出模式（PHY到控制器）；当DIR为低电平时，DATA总线为输入模式（控制器到PHY）。

• NXT: 下一个数据指示引脚。由PHY驱动，用于指示数据总线上的数据有效。

• STP: 停止传输引脚。由控制器驱动，用于指示PHY停止数据传输。

• CLK: ULPI接口的时钟引脚。由PHY驱动，频率为60MHz。控制器使用此时钟来同步数据传输。

• RESETN: 复位引脚。低电平有效，用于硬复位芯片。

• X1, X2: 晶振输入引脚。连接外部晶振，通常为24MHz或19.2MHz。

2.4 控制引脚

• OTG_VBUS: OTG功能引脚，用于控制VBUS的输出。

• ID: OTG ID引脚。通过检测此引脚的电平，芯片可以确定当前连接的设备是主机还是设备。

• INT: 中断输出引脚。当发生特定事件（如VBUS状态改变）时，此引脚会输出中断信号。

这些引脚的详细功能和使用方法将在后续章节中结合具体应用场景进行深入讨论。正确的引脚连接和PCB布局是确保USB3320正常工作的关键。

第三章：ULPI接口协议与工作模式

ULPI（UTMI+ Low Pin Interface）是USB3320最重要的接口之一，它以低功耗和低引脚数著称，是许多嵌入式系统设计的首选。本章将详细介绍ULPI协议的基本原理、寄存器结构以及如何通过ULPI接口进行通信。

3.1 ULPI协议基础

ULPI协议定义了PHY与USB控制器之间进行通信的物理层和数据链路层。它使用8位双向数据总线（DATA[7:0]）、方向控制引脚（DIR）、时钟引脚（CLK）、停止传输引脚（STP）和下一个数据指示引脚（NXT）来完成所有的数据和控制信息传输。

• 数据传输： 数据传输以60MHz的时钟速率进行。在每个时钟周期内，8位数据在DATA总线上有效。

• 方向控制： DIR引脚决定了DATA总线的方向。当DIR为高电平时，数据从PHY发送到控制器；当DIR为低电平时，数据从控制器发送到PHY。

• 控制与状态： ULPI协议将PHY内部的寄存器映射到特定的地址空间。USB控制器通过特定的命令序列来读写这些寄存器，从而控制PHY的各种功能，如复位、省电模式、OTG功能等。

• 命令与数据包： ULPI通信的基本单元是数据包，数据包由控制器和PHY共同定义。例如，控制器可以发送一个“寄存器写入”命令，其后紧跟着寄存器地址和要写入的数据。PHY接收到命令后执行相应的操作，并通过NXT和DIR引脚来指示其状态。

3.2 ULPI寄存器结构

USB3320的ULPI接口拥有多个内部寄存器，用于控制和监控芯片的各种功能。这些寄存器可分为以下几类：

1. 功能控制寄存器（Function Control Registers）： 用于控制芯片的基本功能，如复位、工作模式选择、OTG功能使能等。例如，Function Control Register中的TermSelect位用于选择是否连接终端匹配电阻，OpMode位用于选择正常操作模式或低功耗模式。

2. 电源控制寄存器（Power Control Registers）： 用于控制芯片的功耗状态。通过写入这些寄存器，控制器可以使芯片进入或退出各种省电模式，如ULPI Suspend、High-Speed Suspend等。

3. OTG控制寄存器（OTG Control Registers）： 专门用于控制OTG功能。这些寄存器可以用于配置OTG的角色切换逻辑、VBUS控制和ID引脚检测。

4. PHY状态寄存器（PHY Status Registers）： 用于报告芯片的当前状态，如连接状态、VBUS状态、OTG角色等。控制器可以通过读取这些寄存器来实时监控PHY的工作状态。

5. 诊断寄存器（Diagnostic Registers）： 用于测试和调试目的。这些寄存器可以用于绕过正常的数据路径，直接访问USB信号引脚，从而进行信号完整性测试。

3.3 ULPI接口工作模式

USB3320支持多种ULPI工作模式，以适应不同的应用需求。

• 正常工作模式（Normal Operation）： 在此模式下，PHY正常收发USB数据，并遵循ULPI协议与控制器通信。

• ULPI Suspend模式： 当USB总线处于空闲状态一段时间后，控制器可以命令PHY进入ULPI Suspend模式。在此模式下，大部分内部电路会被关闭以节省功耗，但ULPI接口仍然保持活动，以便控制器可以随时唤醒PHY。

• ULPI Reset模式： 控制器可以通过ULPI接口发送复位命令来对PHY进行软复位，这将使PHY恢复到初始状态，但不会影响外部晶振和电源。

理解ULPI协议和寄存器结构是成功进行USB3320软件开发的关键。开发者需要根据具体的应用需求，编写相应的代码来配置和控制这些寄存器，以实现所需的功能。

第四章：典型应用电路与PCB设计指南

USB3320的硬件设计虽然相对简单，但正确的电路连接和PCB布局对于确保USB信号的完整性至关重要。本章将详细介绍USB3320的典型应用电路、PCB设计注意事项以及关键元件的选择。

4.1 典型应用电路

一个典型的USB3320应用电路包括以下几个部分：

1. 电源部分： USB3320需要稳定的3.3V电源（VCC）和1.8V核心电源（VDD18）。通常，VDD18可以直接连接到3.3V电源，芯片内部的LDO会自动降压。为了确保电源质量，应在VCC和VDD18引脚附近放置适当的去耦电容。一个典型的配置是，在每个电源引脚附近放置一个0.1uF的陶瓷电容和一个10uF的电解电容。

2. 晶振部分： USB3320需要一个外部晶振作为时钟源。常用的晶振频率为19.2MHz、24MHz、25MHz或27MHz。晶振的两个引脚（X1, X2）应连接到芯片的相应引脚，并配合适当的负载电容以确保晶振的稳定振荡。负载电容的选择应根据晶振制造商的规格书来确定。

3. ULPI/UTMI+接口部分： 这是连接USB3320和USB控制器（例如，一个具有ULPI接口的微控制器或SoC）的部分。对于ULPI接口，需要将USB3320的DATA[7:0]、DIR、NXT、STP和CLK等引脚与控制器的相应引脚进行一对一连接。设计时应尽量缩短这些信号线的长度，并避免与其他高速信号线交叉，以减少串扰。

4. USB信号部分： USB3320的DP和DM引脚直接连接到USB连接器的D+和D-引脚。这些信号线是高速差分信号，因此PCB布局时必须特别小心。这两条线必须等长，并且保持90Ω±15%的差分阻抗。通常，可以通过调整线宽、线间距和地平面的距离来实现。在DP和DM引脚到USB连接器之间，应串联放置两个33Ω的电阻，用于阻抗匹配和ESD保护。

5. ESD保护部分： 为了保护USB3320和整个系统免受静电放电（ESD）的损害，应在USB连接器附近放置ESD保护器件。通常使用低电容值的TVS二极管阵列，它可以有效吸收ESD脉冲，同时不影响高速USB信号的完整性。

4.2 PCB设计指南

• 电源完整性： 确保电源和地平面足够大且完整，以提供低阻抗的电源路径。所有去耦电容应尽可能靠近芯片的电源引脚放置。

• 信号完整性：

• 差分信号线（DP, DM）： 保持90Ω的差分阻抗，并确保两条线等长。走线应尽量平滑，避免急弯。

• 高速时钟线（CLK）： ULPI的60MHz时钟线也需要特别注意。应将其走线长度最小化，并尽量远离其他信号线，以减少串扰。

• 数据线（DATA[7:0]）： 尽管ULPI数据线不像USB信号线那样对等长性要求那么高，但仍应尽量保持一致的走线长度，并与其他高速信号线保持适当的距离。

• 热设计： USB3320的QFN封装需要一个良好的散热路径。PCB上应在芯片下方设计一个大的散热焊盘，并通过多个过孔连接到地平面，以帮助散热。

正确遵循这些设计指南可以大大提高USB3320的性能和可靠性，并减少在调试阶段可能遇到的问题。

第五章：寄存器配置与软件编程示例

USB3320的强大功能主要通过其ULPI寄存器进行配置。本章将详细介绍几个重要的寄存器及其配置方法，并提供一个简单的伪代码示例，展示如何在软件中与USB3320进行通信。

5.1 关键寄存器详解

1. Function Control Register (地址 0x04):

• 00: 正常工作模式。

• 01: 非驱动模式。

• 10: 模拟模式。

• 11: 测试模式。

• TERMSELECT位（位2）：此位用于使能或禁用终端匹配电阻。在正常工作模式下，应设置为1以使能内部1.5kΩ上拉电阻，从而使能USB设备。

• OPMODE位（位0-1）：用于选择PHY的工作模式。

• XCVRSELECT位（位3-4）：用于选择USB收发器类型（全速、高速）。在ULPI模式下通常由控制器自动处理。

2. Power Control Register (地址 0x0A):

• SUSPEND位（位0）：将此位设置为1可使芯片进入ULPI Suspend模式，降低功耗。当需要唤醒芯片时，将其设置为0。

• SLEEP位（位1）：此位用于控制芯片的深度睡眠模式，功耗更低。

3. OTG Control Register (地址 0x07):

• VBUS_DRIVE位（位0）：此位用于控制OTG模式下VBUS的驱动。

• OTG_ENABLE位（位4）：使能OTG功能。

• ID_VALID位（位5）：读取此位可获取ID引脚的状态，从而判断设备角色。

5.2 ULPI通信协议与软件编程

与USB3320进行通信的软件程序需要遵循ULPI协议。基本的通信流程包括以下步骤：

1. 初始化： 在系统启动时，首先对USB3320进行硬复位（通过RESETN引脚），然后等待芯片启动并稳定。

2. 寄存器写入： 要向PHY的寄存器写入数据，控制器需要执行一个“写入”操作。这通常涉及到在DATA总线上发送一个特定的命令序列，包括“写入”命令、寄存器地址和要写入的数据。

3. 寄存器读取： 要从PHY的寄存器读取数据，控制器需要执行一个“读取”操作。这同样涉及到发送一个“读取”命令和寄存器地址。然后，控制器需要等待PHY在DATA总线上返回数据。

下面是一个简单的伪代码示例，展示如何通过ULPI接口配置USB3320进入正常工作模式：

// 定义ULPI命令和寄存器地址
#define ULPI_WRITE_COMMAND 0x01
#define ULPI_READ_COMMAND 0x02
#define ULPI_REG_FUNCTION_CTRL 0x04

// 函数：ULPI写入操作
void ulpi_write(uint8_t addr, uint8_t data) {
    // 1. 设置DIR引脚为输出模式
    // 2. 将写入命令和地址发送到DATA总线
    // 3. 将数据发送到DATA总线
    // 4. 设置STP引脚为高电平以结束传输
}

// 函数：ULPI读取操作
uint8_t ulpi_read(uint8_t addr) {
    // 1. 设置DIR引脚为输出模式
    // 2. 将读取命令和地址发送到DATA总线
    // 3. 设置STP引脚为高电平以结束传输
    // 4. 设置DIR引脚为输入模式，等待PHY返回数据
    // 5. 读取DATA总线上的数据并返回
}

// 主函数：配置USB3320
void main() {
    // 1. 对USB3320进行硬复位
    gpio_set_low(RESETN_PIN);
    delay_ms(10);
    gpio_set_high(RESETN_PIN);
    delay_ms(10);

    // 2. 通过ULPI接口配置Function Control Register
    //    将OpMode设置为正常模式
    //    将TermSelect设置为使能
    ulpi_write(ULPI_REG_FUNCTION_CTRL, 0x00); // 假设0x00是正常模式和使能终端的配置值

    // 3. 检查配置是否成功
    uint8_t reg_value = ulpi_read(ULPI_REG_FUNCTION_CTRL);
    if (reg_value == 0x00) {
        // 配置成功
    } else {
        // 配置失败
    }
}

这个伪代码示例展示了软件与硬件交互的基本逻辑。实际的实现会因所使用的微控制器和编程语言而有所不同，但核心思想是相同的：通过ULPI协议读写特定的寄存器来控制USB3320。

第六章：常见问题与故障排除

即使是精心设计的USB3320电路，在开发和测试过程中也可能会遇到各种问题。本章将列出一些常见的问题，并提供相应的故障排除方法。

6.1 USB设备无法枚举

这是最常见的问题之一，可能由多种原因引起。

1. 电源问题：

• 故障现象： USB3320的电源电压不稳定，或者去耦电容放置不当。

• 故障排除： 使用示波器检查VCC和VDD18引脚的电源波形，确保电压稳定且无明显噪声。检查电源去耦电容是否正确放置在靠近芯片引脚的位置。

2. 晶振问题：

• 故障现象： 晶振不振荡或振荡频率不正确。

• 故障排除： 使用示波器探头（高阻抗探头）轻轻接触晶振的引脚，检查是否有稳定的正弦波形。如果波形异常或没有波形，检查晶振的负载电容是否匹配，或者尝试更换晶振。

3. ULPI接口问题：

• 故障现象： ULPI接口的信号线出现串扰或时序问题。

• 故障排除： 使用逻辑分析仪或示波器检查ULPI接口的信号波形，特别是DATA、DIR、NXT和CLK引脚。确保数据传输时序正确，并且信号没有明显的失真。检查PCB布局，确保ULPI信号线没有与其他高速信号线交叉。

4. USB信号线问题：

• 故障现象： USB差分信号线阻抗不匹配，或走线不当导致信号反射。

• 故障排除： 使用网络分析仪或TDR（时域反射计）测量DP和DM线的差分阻抗，确保其在90Ω±15%的范围内。检查PCB布局，确保DP和DM线等长且走线平滑。

5. 软件配置问题：

• 故障现象： USB控制器没有正确配置USB3320的寄存器，例如没有使能终端匹配电阻。

• 故障排除： 检查软件代码，确保ULPI接口的读写操作正确。使用ULPI接口读取Function Control Register的值，确认TERMSELECT和OPMODE位设置正确。

6.2 高速模式无法工作

1. 电源问题：

• 故障现象： VCC或VDD18电源纹波过大，或者无法提供足够的电流。

• 故障排除： 高速模式对电源质量要求更高。确保电源纹波在可接受的范围内，并检查电源是否能提供芯片所需的峰值电流。

2. 晶振频率问题：

• 故障现象： 晶振频率不准确，导致内部PLL无法锁定。

• 故障排除： 确保使用的晶振频率在USB3320支持的范围内，并且频率精度满足要求。

3. PCB布局问题：

• 故障现象： USB差分信号线的阻抗不匹配或走线不当。

• 故障排除： 高速模式对信号完整性非常敏感。再次检查PCB布局，确保DP和DM线的差分阻抗精确匹配，并且走线尽量短且平滑。

6.3 OTG功能异常

1. ID引脚连接问题：

• 故障现象： 芯片无法正确识别ID引脚的状态，导致角色切换错误。

• 故障排除： 检查ID引脚是否正确连接到OTG连接器的相应引脚，并确认上拉或下拉电阻是否正确配置。

2. VBUS控制问题：

• 故障现象： VBUS_VALID或OTG_VBUS引脚控制错误，导致无法正常供电或检测到VBUS。

• 故障排除： 检查与VBUS相关的控制引脚的软件逻辑，确保在OTG模式下能够正确控制VBUS的驱动和检测。

通过系统性地检查这些方面，工程师可以快速定位并解决USB3320应用中的各种问题，确保其稳定可靠地工作。

第七章：高级应用与未来展望

USB3320作为一款成熟的USB 2.0 PHY芯片，其应用范围远不止于基本的设备连接。本章将探讨USB3320在一些高级应用中的角色，并展望USB技术的发展趋势。

7.1 USB3320在OTG和嵌入式系统中的应用

USB3320的OTG功能使其成为许多移动设备和嵌入式系统的理想选择。例如，在智能手机中，USB3320可以作为PHY，使得手机既能作为设备连接到电脑进行数据同步，也能作为主机连接到U盘、键盘或鼠标等外设。这种双重角色极大地增强了设备的灵活性和用户体验。在工业控制、医疗设备和物联网（IoT）领域，USB3320同样大有可为。通过ULPI接口，它可以与各种低功耗的微控制器或FPGA集成，实现USB通信功能。例如，一个基于USB3320的物联网网关，可以通过USB接口连接各种传感器或外设，实现数据采集和控制功能。

7.2 测试与诊断功能

USB3320内置了强大的测试和诊断功能，这些功能对于硬件开发和生产测试至关重要。通过特定的ULPI命令，可以使芯片进入环回（loopback）模式，从而测试USB控制器和PHY之间的通信链路。还可以通过配置诊断寄存器，直接控制DP和DM引脚的电平，从而进行信号完整性测试，例如眼图测试。这些功能使得开发者能够在不依赖外部昂贵设备的情况下，对USB物理层进行全面的验证和调试。

7.3 USB技术发展与未来展望

尽管USB 3.0、USB 3.1乃至最新的USB4技术已经广泛应用，但USB 2.0仍然在许多领域保持着其重要性。对于那些对数据传输速率要求不高，但对成本、功耗和尺寸有严格要求的应用，如低功耗物联网设备、简单的嵌入式控制器、音频设备等，USB 2.0仍然是最佳选择。USB3320作为一款经过市场验证的USB 2.0 PHY，将继续在这些领域发挥重要作用。

未来，USB技术将继续向更高的速率、更强的供电能力和更统一的接口发展。USB Type-C接口的普及正在简化用户的连接体验，而USB PD（Power Delivery）协议的出现则使得USB接口能够传输更高的功率。尽管USB3320本身不直接支持这些新特性，但它作为USB 2.0 PHY可以与支持Type-C和PD的芯片结合使用，构建更完整的解决方案。例如，在一个Type-C接口的设备中，可能包含一个支持PD的芯片来管理电源，而USB3320则负责USB 2.0数据的传输。

总的来说，USB3320凭借其成熟的技术、灵活的接口和低功耗特性，在USB 2.0应用领域仍然拥有强大的生命力。随着新技术的不断发展，它将继续作为许多嵌入式系统和移动设备中不可或缺的一部分，为开发者提供可靠的USB连接解决方案。