您现在的位置：首页 > 电子资讯 >基础知识 > USB3318数据手册

USB3318数据手册

来源：

2025-08-08

类别：基础知识

拍明芯城

USB3318数据手册：详细介绍

引言

USB3318是一款高度集成的USB 2.0高速收发器，专为需要可靠、高速数据传输的应用而设计。它完全符合USB 2.0规范，能够以480 Mbps的速度运行，同时兼容全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）模式。这款收发器集成了多种功能，包括片上PHY（物理层）、电压调节器和一系列接口选项，使其成为各种嵌入式系统、消费电子产品、工业设备以及其他需要USB连接的产品的理想选择。USB3318的卓越性能、低功耗特性以及紧凑的封装使其在竞争激烈的市场中脱颖而出。本数据手册旨在为工程师和设计人员提供关于USB3318的全面技术信息，涵盖其特性、引脚定义、电气特性、功能描述、应用指南和封装信息，以确保其在设计中的正确使用和最佳性能。

核心特性

USB3318集成了多项关键特性，以提供高性能和易用性：

USB 2.0兼容性：支持高速（480 Mbps）、全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）模式，确保与所有USB设备和主机的广泛兼容性。
ULPI接口：采用6引脚或12引脚的UTMI+低引脚接口（ULPI），极大地简化了与外部MAC（介质访问控制器）的连接，减少了引脚数量和PCB布线复杂性。这种接口模式在保持高速性能的同时，有效降低了系统的整体成本和尺寸。
集成式PHY：片上集成了完整的USB 2.0 PHY，包括所有模拟前端电路，如驱动器、接收器、时钟恢复和数据同步等。这消除了对外部PHY组件的需求，降低了系统BOM（物料清单）成本和设计复杂性。
低功耗设计：USB3318在设计时特别注重功耗管理。它支持多种省电模式，如断电模式、挂起模式和睡眠模式，以满足便携式设备和电池供电设备的严格功耗要求。
集成式电压调节器：内置3.3V和1.8V LDO（低压差线性稳压器），可以直接从5V电源供电，为内部核心电路和I/O接口提供稳定的电压，简化了电源管理设计。
高级眼图整形：集成了先进的眼图整形技术，通过精确控制USB信号的上升和下降时间，优化信号完整性，减少信号反射和串扰，从而确保在更长、质量更差的电缆上也能实现可靠的数据传输。
ESD保护：所有USB信号引脚都具备高水平的静电放电（ESD）保护，符合IEC 61000-4-2标准，增强了产品的耐用性和可靠性，特别是在用户频繁插拔的环境中。
多种时钟源选项：支持多种时钟输入方式，例如外部晶体振荡器或时钟输入。这为设计人员提供了灵活性，使其可以根据系统要求选择最合适的时钟源。

引脚描述

USB3318采用紧凑的32引脚QFN（Quad Flat No-Lead）封装，其引脚功能如下：

ULPI接口引脚：

D[7:0]：ULPI数据总线，用于与外部MAC进行数据交换。
DIR：数据方向控制引脚，指示数据是在传输还是接收。
STP：开始包控制引脚，用于标记USB数据包的开始。
NXT：下一个数据包指示引脚，用于同步数据流。
CLK：ULPI接口时钟，通常为60 MHz。
RST：复位引脚，用于重置芯片状态。

USB信号引脚：

DM：USB差分负数据线。
DP：USB差分正数据线。

电源引脚：

VDD：主电源输入，通常为3.3V或5V。
VSS：地。
VDDA：模拟电源输入。
VDD_IO：I/O接口电源，通常为1.8V或3.3V。

控制和状态引脚：

INT：中断引脚，用于通知外部MAC发生了特定的事件。
ID：USB ID引脚，用于检测设备是作为主机（A型）还是设备（B型）。

ULPI接口

ULPI（UTMI+ Low Pin Interface）是USB3318的核心接口，它定义了收发器和外部USB MAC之间的高速通信协议。ULPI旨在通过减少引脚数量来简化PCB布线和降低成本，同时保持USB 2.0的高性能。

接口模式：ULPI支持两种模式：12引脚模式和6引脚模式。在12引脚模式下，数据总线为8位宽，数据和控制信号通过ULPI总线同步传输。这种模式提供了最大的灵活性和最快的响应速度。在6引脚模式下，数据总线为4位宽，通过两个时钟周期来传输一个字节的数据，因此引脚数量减少了一半。6引脚模式适用于对成本和PCB面积有严格要求的应用。
工作原理：ULPI接口通过命令-数据和状态-数据模式工作。MAC可以通过ULPI总线向PHY发送命令，例如配置PHY寄存器、控制USB连接状态等。PHY则通过ULPI总线向MAC报告状态信息，例如USB连接速度、数据包状态、错误信息等。这种双向通信机制使得MAC能够对PHY进行精细控制和监控。
ULPI寄存器：USB3318内部集成了一系列ULPI寄存器，用于配置PHY的行为和读取其状态。这些寄存器包括功能控制寄存器、电源控制寄存器、中断控制寄存器和状态寄存器等。通过读写这些寄存器，MAC可以实现对PHY的全面控制。

功能描述

USB3318的功能可以分为几个主要部分：

PHY Core：PHY核心是USB3318的核心部分，它负责所有模拟前端和数字信号处理。这包括：

数据收发：PHY通过USB差分线（DM/DP）发送和接收USB数据包。它支持NRZI（不归零反转）编码和位填充，以确保数据传输的可靠性。
时钟恢复：PHY从接收到的数据流中恢复时钟，以同步内部电路和解调数据。
信号整形：通过内部的模拟电路，PHY可以精确控制USB信号的上升和下降时间，优化信号质量，减少电磁干扰（EMI）。
终端匹配：PHY内部集成了用于USB高速模式的45Ω终端电阻，简化了外部电路设计。在全速和低速模式下，它会自动切换到相应的终端匹配状态。

电源管理：USB3318具备强大的电源管理功能：

断电模式（Power-down）：在此模式下，USB3318的所有内部电路都被关闭，功耗降至最低。该模式通常在系统关机或休眠时使用。
挂起模式（Suspend）：当USB总线空闲超过一定时间（通常是3毫秒）后，主机将发送挂起信号。USB3318检测到此信号后，会进入挂起模式，关闭部分模拟电路，以降低功耗。在挂起模式下，它仍然可以检测到总线上的唤醒信号，并在必要时迅速恢复到正常工作状态。
睡眠模式（Sleep）：这是比挂起模式更深度的省电模式，通常由软件控制。在此模式下，更多内部电路被关闭，但芯片仍然可以被特定的事件（如USB唤醒）唤醒。
LDO：内置的3.3V和1.8V LDO可以为芯片内部核心和I/O提供稳定的电源。这使得设计人员可以直接使用一个5V电源输入，简化了系统电源设计。
省电模式：

USB协议处理：虽然大部分USB协议处理由外部MAC完成，但USB3318在PHY层面也参与了部分协议工作：

连接状态检测：PHY可以检测USB总线上的连接状态，例如总线空闲、J状态、K状态等。
速度协商：在设备插入时，PHY负责与主机进行速度协商，以确定是工作在高速、全速还是低速模式。
唤醒信号：在挂起模式下，PHY可以检测到总线上的唤醒信号（如K状态），并生成中断信号通知MAC。

电气特性

以下是USB3318的一些关键电气参数：

电源电压：

VDD：3.0V至3.6V，或4.5V至5.5V。
VDDA：3.0V至3.6V。
VDD_IO：1.65V至3.6V。

功耗：

高速模式（正常工作）：典型值为数十毫瓦。
挂起模式：典型值为数百微瓦。
断电模式：典型值为数十微安。

ULPI接口时序：

时钟频率：60 MHz。
数据建立和保持时间：符合ULPI规范，确保数据传输的可靠性。

USB信号：

差分阻抗：90Ω ±15%。
共模电压：符合USB 2.0规范。
输出摆幅：符合USB 2.0规范。

应用指南

正确设计和使用USB3318需要注意以下几点：

电源设计：

去耦电容：在所有电源引脚附近放置适当的去耦电容，以滤除高频噪声，提供稳定的电源。通常，推荐使用100nF和10µF的电容。
电源顺序：如果系统使用多个电源，应确保电源上电顺序符合USB3318的要求。

PCB布线：

差分对布线：USB信号（DM/DP）应作为差分对进行布线，并保持90Ω的差分阻抗。差分对的长度应尽可能匹配，以减少时序偏差和信号失真。
远离噪声源：USB信号线应远离高频噪声源，如时钟线、开关电源等，以防止电磁干扰。
地平面：使用完整的地平面可以有效降低电磁干扰，提高信号完整性。

时钟源：

晶体振荡器：如果使用外部晶体，应选择符合USB3318要求的晶体，并正确连接负载电容，以确保稳定的时钟频率。晶体和负载电容应尽可能靠近USB3318的相应引脚。

软件配置：

ULPI寄存器：在系统初始化时，外部MAC需要通过ULPI接口正确配置USB3318的寄存器，以设置工作模式、时钟源、中断使能等。
电源管理：软件应根据系统状态控制USB3318的省电模式，以优化功耗。例如，在系统闲置时，将芯片置于挂起模式。
中断处理：应正确配置中断机制，以便在发生USB连接/断开、唤醒等事件时，MAC能够及时响应。

封装信息

USB3318采用紧凑的32引脚QFN封装，尺寸为5mm x 5mm。这种无引脚封装具有出色的散热性能和电气性能，非常适合空间受限的便携式和嵌入式应用。QFN封装通过芯片底部的焊盘与PCB连接，提供了可靠的电气和机械连接。

USB3318与USB2.0标准

USB3318作为一款USB 2.0高速收发器，其设计和性能都严格遵循USB 2.0规范。该规范定义了电气、机械、协议和软件接口，确保了不同厂商生产的USB设备和主机之间的互操作性。USB3318在电气层面上实现了USB 2.0规范的所有要求，包括但不限于：

信令速率：支持高速（High-Speed）480 Mbps、全速（Full-Speed）12 Mbps和低速（Low-Speed）1.5 Mbps三种数据速率。在设备插入时，USB3318会自动进行握手和速度协商，以确定当前的工作模式。
差分信号：USB使用差分信号传输数据，以提高抗噪声能力和传输距离。USB3318的DM和DP引脚输出的信号符合USB 2.0规范中对差分电压、共模电压和摆幅的要求。
终端匹配：USB 2.0规范要求高速模式下，收发器内部需要有45Ω的终端电阻。USB3318集成了这些电阻，简化了外部电路设计。在全速和低速模式下，终端电阻的连接方式也会根据规范自动调整。
眼图模板：眼图是衡量高速信号质量的关键指标。USB3318通过其先进的模拟电路设计和信号整形技术，确保其输出的USB信号眼图符合USB 2.0规范的眼图模板要求，从而保证在各种线缆和环境下都能可靠传输数据。

时钟管理

USB3318的时钟管理系统提供了多种选项，以适应不同的系统设计：

外部晶体振荡器：最常见的方法是使用一个外部的晶体振荡器。USB3318通常需要一个19.2 MHz或24 MHz的晶体。内部的PLL（锁相环）会从这个晶体时钟生成PHY核心所需的所有高频时钟，如60 MHz的ULPI时钟和480 MHz的USB高速时钟。这种方法提供了最高的时钟精度和稳定性。
外部时钟输入：除了晶体振荡器，USB3318也支持从外部直接输入一个时钟信号。这对于那些系统已经有了一个高精度时钟源的情况非常有用，可以节省一个晶体振荡器的成本和PCB空间。
时钟源选择：通过ULPI接口的寄存器，设计人员可以选择使用晶体振荡器还是外部时钟输入。这使得设计具有更高的灵活性。

ULPI接口的详细操作

ULPI接口是USB3318与外部MAC通信的桥梁，其操作机制非常精巧。

数据传输：在12引脚模式下，ULPI总线通过8位数据线D[7:0]、时钟CLK和控制信号DIR、STP、NXT进行数据交换。

MAC到PHY：当MAC需要向PHY发送数据或命令时，它会首先设置DIR引脚为输出模式，然后将数据放到D[7:0]总线上，并用CLK时钟同步数据。STP引脚用于标记数据包的开始。
PHY到MAC：当PHY有数据或状态要发送给MAC时，它会设置DIR引脚为输入模式，然后将数据放到D[7:0]总线上。

寄存器读写：ULPI接口定义了一套寄存器读写协议。

写操作：MAC通过ULPI总线发送一个写命令，其中包括寄存器地址和要写入的数据。PHY接收到命令后，会将数据写入指定的寄存器。
读操作：MAC发送一个读命令，其中包括寄存器地址。PHY接收到命令后，会将指定寄存器中的数据通过ULPI总线返回给MAC。

ULPI寄存器映射：USB3318的ULPI寄存器分为几个功能区域，例如：

PHY控制寄存器：用于控制PHY的基本功能，如复位、工作模式选择、时钟源选择等。
功能控制寄存器：用于控制更高级的功能，如驱动器强度、眼图整形、中断使能等。
PHY状态寄存器：用于报告PHY的当前状态，如USB连接速度、总线状态、错误信息等。

电源管理与低功耗

USB3318在设计时充分考虑了功耗问题，特别是对于电池供电的移动设备。其低功耗特性主要体现在以下几个方面：

自动省电：当USB总线上的数据传输停止，并且总线处于空闲状态超过3毫秒后，USB3318会自动进入挂起模式。在此模式下，部分模拟电路会被关闭，功耗大幅降低。当总线上的信号再次活跃时，芯片会迅速唤醒。
软件控制的省电：通过ULPI寄存器，MAC可以强制USB3318进入更深的断电模式。在断电模式下，除了少数维持状态的电路，几乎所有功能都将被关闭，从而将功耗降至最低。该模式通常用于系统关机或长期休眠。
唤醒机制：即使在挂起模式或断电模式下，USB3318仍然能够监测USB总线上的唤醒信号。当主机发送远程唤醒信号时，USB3318会立即唤醒，并通过INT引脚通知MAC，从而恢复正常工作状态。

USB3318的应用

由于其高性能、低功耗和紧凑封装，USB3318被广泛应用于各种产品中：

移动设备：智能手机、平板电脑、数码相机等。在这些设备中，USB3318作为连接器，负责与电脑进行高速数据同步和充电。
嵌入式系统：各种嵌入式开发板、单片机系统等。USB3318为这些系统提供了方便的USB连接能力，用于数据传输、固件升级和调试。
工业控制：工业传感器、数据采集设备、自动化设备等。在这些应用中，USB3318提供了可靠的USB接口，用于现场数据传输和设备配置。
消费电子：高清电视、机顶盒、游戏机等。USB3318在这些设备中用于连接外部存储设备、键盘鼠标等USB外设。

USB3318是一款功能强大、高度集成且符合USB 2.0规范的高速收发器。其独特的ULPI接口大大简化了与外部MAC的连接，而内置的PHY、LDO和高级信号整形功能则进一步降低了系统成本和设计复杂性。强大的电源管理功能使其成为便携式和低功耗应用的理想选择。通过详细了解其引脚功能、电气特性和应用指南，设计人员可以充分利用USB3318的各项优势，设计出高性能、高可靠性的USB产品。

附录：ULPI寄存器详细列表

虽然具体的寄存器地址和位定义需要参考官方数据手册，但我们可以概述一下USB3318中常见的ULPI寄存器及其功能：

功能控制寄存器（Function Control Register）：

复位位：用于对PHY进行软件复位。
时钟源选择位：用于在外部晶体和时钟输入之间进行选择。
ULPI模式位：用于在12引脚和6引脚ULPI模式之间进行切换。
低速/全速强制位：用于强制PHY进入低速或全速模式，通常用于测试和调试。

电源管理寄存器（Power Management Register）：

挂起位：用于将PHY置于挂起模式。
断电位：用于将PHY置于断电模式。
唤醒使能位：用于使能USB唤醒功能。

PHY状态寄存器（PHY Status Register）：

连接状态位：指示USB总线上的连接状态，如空闲、J状态、K状态等。
连接速度位：指示当前连接是高速、全速还是低速。
错误位：指示USB数据传输过程中是否发生错误。

中断控制寄存器（Interrupt Control Register）：

中断使能位：用于使能或禁止特定事件（如连接/断开、唤醒）产生中断。
中断状态位：报告已发生的事件，供MAC读取和清除。

ULPI配置寄存器（ULPI Configuration Register）：

驱动器强度控制：用于调整USB信号驱动器的强度，以适应不同长度的线缆。
眼图整形控制：用于微调信号的上升和下降时间，以优化眼图。

设计考虑和故障排除

在实际设计中使用USB3318时，可能会遇到一些问题。以下是一些常见的设计考虑和故障排除建议：

PCB布线问题：

信号完整性：如果USB信号线布线不当，例如差分对长度不匹配、阻抗不连续或靠近噪声源，可能会导致信号失真、眼图闭合，从而导致数据传输错误。确保遵循差分对布线指南，并使用阻抗控制的PCB。
电源噪声：不稳定的电源或地平面噪声可能影响USB3318的正常工作。确保电源去耦电容放置正确且值合适，并使用良好的地平面。

软件配置问题：

ULPI寄存器设置错误：错误的寄存器配置可能导致PHY无法正常工作。例如，如果时钟源配置错误，PHY可能无法产生正确的时钟，导致ULPI接口无法通信。在设计初期，务必仔细检查所有ULPI寄存器的配置。
电源管理逻辑错误：如果软件的电源管理逻辑有缺陷，可能导致USB3318无法进入省电模式，从而增加功耗；或者无法被唤醒，导致连接中断。

兼容性问题：

与MAC的兼容性：虽然ULPI是标准接口，但不同厂商的MAC控制器在实现上可能略有差异。在设计初期，应仔细研究MAC控制器和USB3318的ULPI接口时序，确保两者兼容。
与USB线缆的兼容性：USB线缆的质量对高速数据传输至关重要。使用劣质或过长的线缆可能导致信号衰减和失真，影响数据传输。USB3318的眼图整形功能可以部分缓解这个问题，但选择高质量的线缆仍然是最佳实践。

ESD保护：

外部ESD保护：虽然USB3318集成了ESD保护，但在高静电环境下，可能需要额外的外部ESD保护器件，如TVS二极管，以增强系统的鲁棒性。这些器件应尽可能靠近USB连接器放置。

未来展望

随着USB技术的发展，下一代USB标准（如USB 3.0、USB 3.1、USB-C等）已经广泛应用。然而，USB 2.0仍然在许多领域保持着其重要地位，特别是在成本敏感、功耗受限和对高速率要求不那么高的应用中。USB3318作为一款成熟、可靠的USB 2.0收发器，其在嵌入式系统和工业控制等领域的应用前景依然广阔。