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cyusb3014硬件设计指南（中文版）.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.99M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    文档标题：EZ-USB® FX3™/FX3S™硬件设计指南和原理图检查表 AN70707 作者： Rizwan Afridi、Hussein Osman 相关项目：无 相关部件系列: CYUSB3014、CYUSB3035 软件版本：N/A 相关应用手册：无 AN88725 文档介绍了，开发人员需要考虑的 EZ-USB® FX3™/FX3S™硬件设计及其关键项目的建议。赛普拉斯 EZ- USB FX3 是新一代的 USB 3.0 外设控制器。它可提供高度集成和灵活的特性，因此开发人员可以在任何系统中添加 USB 3.0 功能。除非另有说明，所有推荐的内容都应用于 FX3 和 FX3S。 目录 简介 简介 ................................................................................... 1 供电系统 ............................................................................ 2 概述 .............................................................................. 3 功耗模式 ....................................................................... 4 器件的电源去耦 ............................................................ 4 电涌注意事项和供电设计 .............................................. 4 时钟 ................................................................................... 6 晶振 .............................................................................. 6 时钟 .............................................................................. 7 看门狗定时器 ................................................................ 7 GPIF II 接口 ....................................................................... 7 I2C 接口 ............................................................................. 7 低性能外设（LPP） .......................................................... 8 JTAG ............................................................................ 8 I2S................................................................................. 8 SPI 和 UART ................................................................ 8 引导 ................................................................................... 8 EMI 和 ESD 注意事项 ........................................................ 9 FX3 器件封装尺寸 ............................................................. 9 电气设计注意事项.............................................................. 9 USB 3.0 SuperSpeed 的设计指南 ................................ 9 附录 A — PCB 布局提示 .................................................. 18 赛普拉斯 EZ-USB® FX3 是新一代 USB 3.0 外设控制器，可 提供集成和灵活的功能。FX3 具有一个可进行完全配置的 并行通用可编程接口 GPIF II，它能够与任何处理器、ASIC 或 FPGA 连接。它可轻松无缝地同多种常用接口建立连 接，如异步 SRAM、异步和同步地址数据复用式接口，以 及并行 ATA。FX3 包含一个嵌入式 32 位 ARM926EJ-S 微 处理器，它具有强大的数据处理能力，并可用于构建定制应 用。本产品采用了一种架构，使从 GPIF II 到 USB 接口的 数据传输速度可达 375 MB/秒。 通过集成的 USB2.0 OTG 控制器可以使能某些应用，其中 FX3 具有两个作用。例如，EZ-USB FX3 可以作为 OTG 主 机控制 MSC 设备和作为 HID 设备使用。FX3 具有大小为 512 KB 或 256KB 的片上 SRAM，用于存储代码和数据。 EZ-USB FX3 还具有可连接至 UART、SPI、I2C 和 I2S 等 串行外设的接口。FX3 带有应用开发工具。软件开发工具 包中带有应用示例，从而能够加快产品的上市时间。 除了上述功能外，FX3S 还集成了存储控制器，并可支持 2 个独立的大容量存储器。它支持 SD 3.0 和 eMMC 4.41 存 储卡。并且这些端口还支持 SDIO 功能。 FX3 和 FX3S 特 性的区别如表 1 所示。 为了成功地将这个高吞吐量的管道添加到系统内，开发者必 须在设计过程中考虑多个关键因素。由于 EZ-USB FX3 器 件的封装和高性能特性，您需要遵照指南中所要求的走线宽 度、多层板以及其他布局注意事项，以确保系统正常运行。 有 关 EZ-USB FX3 DVK 的 参 考 原 理 图 ， 请 查 看 CYUSB3KIT-001 EZ-USB® FX3™ 中 介 绍 的 内 容 。 如 需 EZ-USB FX3S DVK 原理图，请与 fx3@cypress.com 取得 联络。 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 1
    EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 表 1. FX3 特性与 FX3S 特性的区别 特性 GPIF 存储端口 USB 3.0、USB 2.0 设备 HS-OTG CPU 嵌入的 SRAM 串行接口* 引导选项 封装 EZ-USB FX3 8/16/32 位 无 是 是 ARM9、200 MHz 256 KB/512 KB EZ-USB FX3S 8/16 位 1 或 2 个端口（SD3.0、eMMC4.41、 SDIO3.0） 是 是 ARM9、200 MHz 256 KB/512 KB I2C、SPI、I2S、UART I2C、SPI、I2S、UART 基于 I2C、SPI、USB、GPIF FX3 的所有引导选项 + 基于 eMMC 的引导选 项 121 引脚 BGA，10x10 毫米 121 引脚 BGA，10x10 毫米 *在所有的配置选项下，并不是所有的串行接口会有效。有关详细信息，请参考数据手册的“引脚说明”部分。 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 2
    供电系统 EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 概述 EZ-USB FX3 器件的电压范围如图 1 中的框图所示。有关这些电压范围的说明和电压设置，请查见表 3. 电源去耦的要求。 图 1. EZ-USB FX3 电压范围 表 2. EZ-USB FX3 电压范围说明 说明 最小值 典型值 最大值 单位 内核供电电压 模拟供电电压 GPIF II 的 I/O 电压范围 IO2 电压范围 IO3 电压范围 UART/SPI/I2S 电压范围 1.15 1.15 1.7 1.7 1.7 1.7 典型值为 1.2 V 典型值为 1.2 V 典型值为 1.8、2.5 和 3.3 V 典型值为 1.8、2.5 和 3.3 V 典型值为 1.8、2.5 和 3.3 V 典型值为 1.8、2.5 和 3.3 V I2C 和 JTAG 供电范围 1.15 典型值为 1.2、2.5 和 3.3 V 1.25 1.25 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 6 6 3.6 1.25 1.25 V V V V V V V V V V V V 参数 VDD AVDD VIO1 VIO2 VIO3 VIO4 VIO5 VBATT VBUS CVDDQ USB 供电电压 USB 供电电压 时钟供电电压 3.2 4.0 1.7 1.15 1.15 典型值为 3.7 V 典型值为 5 V 典型值为 1.8、3.3V 典型值为 1.2 V 典型值为 1.2 V U3TXVDDQ USB 3.0，1.2 V 的供电电压 U3RXVDDQ USB 3.0，1.2 V 的供电电压 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 3 VBATVIO1VIO2VIO3VIO4VIO5VDDU3RXVDDQVBATT0.01uF0.1uFVIO10.01uF0.1uFVIO20.01uF0.1uFVIO30.01uF0.1uFVIO40.01uF0.1uFVIO50.01uF0.1uFVDD0.1uF22uFU3RXVDDQ0.1uF22uFVSSCVDDQ0.01uF0.1uFCVDDQAVDDAVDD0.1uF2.2uFU3TXVDDQU3TXVDDQ0.1uF22uFVBUS0.1uFVBUSAVSSU2AFEU3VSSU2PLL
    EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 功耗模式 EZ-USB FX3 支持下列各功耗模式:  正常模式：全功能工作模式。在此模式下，内部 CPU 时钟和内部 PLL 都被使能。 求多次重试。去耦电容器应该是稳定的、非传导性的陶瓷电 容。要把去耦电容器放在离电源引脚最近的位置，并用短的 连线把 EZ-USB FX3 的电源和地分别连接到电路板的电源 层和地层。图 2 中显示了去耦电容器的位置。 图 2. 去耦电容器的位置  I/O 电源 VIO2、VIO3、VIO4 和 VIO5 在相应接口 未被使用时可能被关闭。而在应用程序使用 GPIF II 接口时，始终不能关闭 VIO1。  USB I/O 要求使用 3.3-V 稳压电源。该电源的内部 驱动，是由 VBUS 或 VBATT 外部电源提供的。如 果未使用 USB，则可以关闭 VBATT/VBUS。如果 使用 USB 端口，则必须打开上述一个或两个电源。  VBATT 能够连接到系统电池或 PMIC 中 3.2 V–6 V 的稳定电压。如果 VBUS 和 VBATT 都被打开，并 且它们的值在其特定的电源范围内，VBUS 将成为 USB I/O 的主电源，除非有软件控制。  EZ-USB FX3 在 VBUS 引脚上可以承受 6 V 的电 压；在某些应用中，如果该供电电压更高，则需要 有外部的过压保护（OVP）设备来保护 EZ-USB FX3 器件。电池充电 v1.2 规格是这种应用的一个实 例。在该应用中，充电器（如壁式充电器/专用充电 器）可为 VBUS 提供高达 9 V 的电源。  VBUS 引脚可以连接到一个系统电源。该电源会根 据另一个处理器检测的 VBUS 而打开/关闭。一种典 型的情况，PMIC 将检测 VBUS 并打开 3.3-V 的稳 压电源，以启动 EZ-USB FX3。这时，该系统必须 通过软件控制，以便 VBATT 可作为主电源使用。  EZ-USB FX3 不带有电荷泵，因此作为 OTG-A 设 备使用时，它不能给 VBUS 供电。EZ-USB FX3 作 为 OTG-A 设备使用时，必须通过外部供电泵（单 独供电泵或集成到 PMIC 的供电泵）给 VBUS 供 电。  使能 USB 3.0 PHY 的暂停模式（L1）：必须保留用于 唤醒源和内核的电源。所有其他电域都可独立开启/关 闭。  禁用 USB 3.0 PHY 的暂停模式（L2）：必须保留用于 唤醒源和内核的电源。所有其他电域都可独立开启/关 闭。  待机模式（L3）：必须保留用于唤醒源和内核的电 源。所有其他电域都可独立开启/关闭。  内核断电模式（L4）：内核电源关闭。所有其他电域 都可独立开启/关闭。 器件的电源去耦 电源去耦的重要作用是能够确保在供电过程中，不让系统噪 声传输给器件。错误去耦则会产生抖动信号，特别是在 USB 总线上发生的错误去耦将导致更高的 CRC 错误率并要 表 3 显示的是与 EZ-USB FX3 电源引脚最近的陶瓷电容器 的特殊要求。 表 3. 电源去耦的要求 电容值 电容器数量 引脚名称 0.01 uF、0.1 uF、 22 uF 4 x 0.01 uF、3 x 0.1 uF、1 x 22 uF VDD 0.1 uF、2.2 uF 每个电容各一个 AVDD 0.1u、F22uF 每个电容各一个 U3TXVDDQ 0.1 uF、22 uF 每个电容各一个 U3RXVDDQ 0.1 uF、0.01 uF 每个电容各一个 CVDDQ 0.1 uF、0.01 uF 0.1 uF 每个电源上，每个电容值 各一个 1 VIO1-5 VBUS 电涌注意事项和供电设计 当第一次使能 USB 3.0 Super Speed PHY 或发生复位事件 时 ， 在 大 约 ~10 us 的 时 间 内 ， 电 涌 将 放 生 在 1.2 V U3RXVDDQ 和 U3TXVDDQ 。 此 电 流 的 大 小 可 达 800 mA。为了确保电涌不会从 1.2 V 电源下降到不可接受的电 压值，在设计供电网络时必须十分慎重。 如果 VDD 内核电源也使用了相同的 1.2 V 电源，则必须确 保该电源的电平不会降得太低。否则，该电流将激发到片上 加电复位（POR）电路，从而复位整个芯片。在 200 ns 的 时间内，如果 1.2-V 的内核 VDD 电压下降到低于 0.83 V 的 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 4 Decoupling Caps placed close to the device
    值，则 POR 电路将被破坏。必须设计 1.2-V 电源网络，以 便在发生涌入事件时，VDD 不会低于 0.83 V。为了达到此 目的，需要结合使用去耦电容器（如数据手册中所指定）、 电感器扼流圈和电压调节器的输出阻抗。 下面的示例波形显示的是发生电流尖脉冲时的电涌（图 4） 和 VDD 电 平 的 降 低 （ 图 5 ） 。 该 结 果 是 通 过 使 用 TPS76801QD 电压调节器、2.2-uF 耦合电容器和扼流圈从 非优化的电源设计中所得到的，具体如图 3 所示。 图 3. 非优化的电源设计 EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 相反，下面图 6 显示的优化电源设计，虽然使用了相同的 电压调节器（TPS76801QD），但电容使用的是 22-uF 去 耦电容，并清除了 VDD 电源中的扼流圈。该设计表示已降 低了电涌（图 7）并改善了电源的降低（图 8）。 图 6. 优化的电源设计 图 4. 电涌（80 mV/0.1 Ω = 800 mA） 图 7. 电涌（320 mA） 图 5. 1.2 V 中的电压降低（200 mV） 图 8. 1.2 V 的电压降低（112 mV） www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 5 U3RXVDDQU3TXVDDQVDDFX3S0.1µF2.2µF0.1µF2.2µF0.1µF2.2µFLchokeLchokeLchokeRegulator TPS76801QD V1P2U3RXVDDQU3TXVDDQVDDFX3S0.1µF22µF0.1µF22µF0.1µF22µFLchokeLchokeRegulator TPS76801QD V1P2
    EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 公式 1. 晶振的驱动电平 可以兼容的晶振的驱动电平不能超过该晶振的功率限制。可 以 兼 容 的 晶 振 的 示 例 如 表 5 所 示 。 请 注 意 ， 只 有 NX3225SA 符合 EZ-USB FX3 的特性，其他晶振通过使用 公式 1 作为示例。 表 5. 晶振选择 数据手册 中 R1 的 最大值 （欧姆） CL eqv （pF） C0 （pF） 估算值 40 80 50 50 40 6 6 6 6 6 3 3 3 3 3 使用公式 1 （uW） 的驱动电 平 82 171 107 107 82 最大驱动 电平 （Spec） uW 100 300 200 200 100 器件 Epson FA- H20 ITTI I16 NX2520SA NX3225SA Saronix-FL 用户可以选择具有相同规格的任何电压调节器。 时钟 EZ-USB FX3 器件使用频率为 19.2-MHz 的晶振或 19.2 MHz、26 MHz、38.4 MHz 或 52 MHz 的任何时钟作为时钟 源。 晶振 晶振连接如图 9 所示。 图 9. 晶振电流 表 4 显示的是 19.2-MHz 晶振的要求。 表 4. 晶振要求 参数 容差 温度范围 负载电容 驱动电平 规格 ±100 -40 到 85 12 使用公式 1 单位 ppm °F pF mW 该晶振的功耗由 XTAL-OUT 引脚的驱动电平（在 EZ-USB FX3 器 件 中 ， 该 电 平 为 1.32 V ） 、 所 需 的 频 率 （19.2 MHz）以及晶振的等效电阻来确定。 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 6
    EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 时钟 EZ-USB FX3 的输入时钟必须符合下表中具体规定的相位噪 声和时序抖动要求。 表 6. 时钟要求 表 8. 看门狗定时器的要求 参数 占空比 频率偏差 最小值 最大值 单位 40 _ 60 % ±200 ppm 规格 参数 说明 相位噪声 100 Hz 偏移 1 kHz 偏移 10 kHz 偏移 100 kHz 偏移 1 MHz 偏移 最大频率偏差 占空比 过冲 下冲 上升时间/下降 时间 最小 值 _ _ _ _ _ _ 30 _ _ _ 最大 值 -75 -104 -120 -128 -130 单位 dB dB dB dB dB 150 ppm 70 3 -3 % % % 3 ns 根据所选定的时钟、频率、FSLC[2:0] 各线路可通过弱上拉 电阻连接到电源，或连接到地。表 7 显示的是用于不同时 钟的各个 FSLC[2:0]值。 表 7. 频率选择配置 FSLC[2] FSLC[1] FSLC[0] 晶振/时钟频率 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 19.2 MHz 的晶振 19.2 MHz 的输入时钟 26 MHz 的输入时钟 38.4 MHz 的输入时钟 52 MHz 输入时钟 0 1 1 1 1 CVDDQ 是与时钟输入相关的电源。它和外部时钟输入（若 有）的电压值是相同的。 如果只使用外部时钟输入，XTALIN 和 XTALOUT 引脚会保 持为未连接的状态。如果只使用晶振时钟，CLKIN 引脚会 保持未连接状态。 看门狗定时器 在待机模式下，运行看门狗定时器时可以使用 32.768 kHz 的时钟输入。该时钟输入由外部时钟源供电。 GPIF II 接口 EZ-USB FX3 具有高性能的通用可编程接口，即 GPIF II。 该接口与 FX2LP 的 GPIF 和从器件 FIFO 接口的功能相 似，但更先进。有关 GPIF 接口的更多详细信息，请参考应 用手册 AN75779 — 将图像传感器连接到 USB 视频类别 （UVC）框架中的 EZ-USB® FX3™和 AN75779 — 将图像 传感器连接到 USB 视频类别（UVC）框架中的 EZ-USB® FX3™。 下述内容介绍的是 EZ-USB FX3 的 GPIF II 接口的通用设计 指南。  GPIF II 接口的最大频率是 100 MHz。推荐将 GPIF II 总线上的所有信号线长度在 500 （mils）密耳的范围内 匹配。推荐使用 22 Ω 的串联终端电阻  GPIF 线的长度大于 5 英寸或经过一个过孔会引起阻抗 的失配。这时，我们推荐使用 EZ-USB FX3 IBIS 模型 来 仿 真 信 号 的 抖 动 。 该 EZ-USB FX3 IBIS 存 在 于 CYUSB3KIT-001 EZ-USB® FX3™并带有端点。  在所有的同步接口中，推荐使用 GPIO[16] （PCLK） 作为 GPIF II 时钟信号。  进行 FX3 启动时，GPIO[32:30] （PMODE[2:0]）信号 将进行相应的配置。启动后，这些信号可作为 GPIO 使 用。  INT#信号不能作为 GPIO 使用。 注：GPIF II 配置为 32 位模式时，SPI 接口的信号线不可 用。 I2C 接口 EZ-USB FX3 具有一个与 I2C 总线规格版本 3 相兼容的 I2C 接口。EZ-USB FX3 的 I2C 接口只能作为 I2C 主控运行。例 如，EZ-USB FX3 可从连接至 I2C 接口的 EEPROM 引导， 它是可选的引导选项。EZ-USB FX3 的 I2C 主控制器也支持 多主控模式功能。 I2C 接口采用 VIO5 供电，该电压独立于其他串行外设。这 样，I2C 接口可以灵活地在不相同的电压下工作，这个不同 于其他串行接口。 I2C 控制器所支持的总线频率为 100 kHz、400 kHz 和 1 MHz。当 VIO5 为 1.2 V 时，支持的最大工作频率为 100 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 7
    EZ-USB® FX3/FX3S™硬件设计指南和原理图的检查表 kHz。当 VIO5 为 1.8 V、2.5 V 或 3.3 V 时，支持的工作频 率为 400 kHz 和 1 MHz。 图 11. SPI 配置 如果在 I2C 总线上使用外部 EEPROM 来引导固件，那么 SCL 和 SDA 线上需要使用大小为 2 kΩ 的上拉电阻才能保 证正常运行，具体如下面的图片所示。 图 10. I2C 配置 引导 EZ-USB FX3 可以作为系统中的主处理器或另一个主处理器 的 协 处 理 器 使 用 。 启 动 方 式 取 决 于 特 殊 系 统 的 操 作 。 PMODE[2:0]配置引导选项，根据将要使用的引导选项可直 接连接到主处理器或硬件连线到电路板上。下表显示的是不 同引导选项所需要的 PMODE[2:0]信号电平。 低性能外设（LPP） JTAG EZ-USB FX3 的 JTAG 接口提供了一个标准的 5 引脚接 口，用于同 JTAG 调试器相连。该性能允许通过 CPU 内核 的片上调试电路调试固件。由于 JTAG 信号（TDI、TMC、 TRST#信号）有固定的大小为 50 kΩ 的内部上拉电阻，并 且 TCK 信号有固定的大小为 10 kΩ 的下拉电阻，所以 JTAG 信号上不需要外部上拉/下拉电阻。 I2S EZ-USB FX3 具有 I2S 端口，用于支持外部音频解码器件。 EZ-USB FX3 可以作为 I2S 主控工作（仅作为发送器）。 EZ-USB FX3 可在 I2S_MCLK 线上生成系统时钟输出，或 在 I2S_MCLK 线上接受外部系统时钟输入。 SPI 和 UART EZ-USB FX3 支持串行外设端口上的 SPI 主控接口。SPI 和 UART 共享一组 GPIO。MOSI 和 MISO 信号上不需要上拉 电阻或下拉电阻。 图 11 显示的是使用 M25P40-VMN6TPB SPI 器件的正确连 接 SPI 信号。 表 9. PMODE 信号设置 PMODE[2:0] 引导自 Z00 Z01 Z11 Z0Z Z1Z 1ZZ 0Z1 000* 100* 同步 ADMUX（16 位） 异步 ADMUX（16 位） USB 引导 异步 SRAM（16 位） I2C，如失败，则使能 USB 引导 仅使用 I2C SPI，如失败，则使能 USB 引导 S0 端口（eMMC）。如失败，则使能 USB 引导 — 仅使用 FX3S S0 端口（eMMC）— 仅使用 FX3S 注意：Z = 高阻、开漏、无连接、*仅应用于 FX3S 推荐将上拉和下拉电阻添加到 PMODE [2:0]信号上，并加 载优选引导选项所需要的组合。这样可以在早期开发时为系 统调试提供灵活性。 www.cypress.com 文档编号：001-88725 版本** 8
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