使用MAX4951 SATA雙向轉接器驅動eSATA電纜

摘要：采用增強串行ATA (eSATA)，帶有外部驅動的計算機系統在性能上實際與內部驅動計算機系統相當，要比USB 2.0快得多。eSATA提供單獨的接收/發送通道，速率高達3.0Gbps，而USB 2.0只是簡單的480Mbps鏈路。采用eSATA端口，計算機很容易獲得1千兆字節(1TB)或更多的外部數據，就像訪問內部驅動器一樣方便，而電纜傳輸距離可以延伸到2m。為進一步適應更長的電纜，eSATA需要比SATA更強的驅動能力。基于這一需求，我們推出了MAX4951 SATA雙向轉接器以滿足eSATA驅動的全面需求。

SATA和以前的數據傳輸協議

在筆記本電腦和臺式計算機中，串行ATA (SATA)硬盤驅動器幾乎完全替代了并行ATA (PATA)硬盤驅動器，甚至還用在了某些服務器中。SATA電纜/插座只有7條數據線(圖1)，而PATA含有40條數據線。SATA電纜非常靈活，不需要進行跳接器設置。內部SATA電纜長達1m，而PATA電纜只有18in長。


圖1. PCB上的SATA連接器

SATA I串行數據流的數據傳輸速率為150MB/s，并行傳輸最大速率為133MB/s；SATA II傳輸速率可以達到300MB/s。SATA最初只是簡單地用于替代笨拙的帶狀連接器，只需要驅動1m長的電纜。開發了名為增強SATA (eSATA)的新標準來驅動筆記本電腦/臺式計算機外部硬盤信號，驅動長度達到2m。SATA/eSATA信號類似標準LVDS，在一對100Ω平衡傳輸線上進行交流耦合。信號電平通常為±500mV_P-P。1.5Gbps SATA的應用非常成功，SATA/eSATA很快發展到3.0Gbps，并且還進行了其他改進。

eSATA

eSATA是SATA的擴展。eSATA用于帶有外部硬盤驅動器的筆記本電腦/臺式計算機，支持2m長的電纜傳輸。使用eSATA，計算機很容易訪問1千兆字節(1TB)甚至更多的外部數據，速度和內部驅動器一樣快。由于電纜長度可能長于SATA電纜，因此，eSATA電纜要比SATA需要更強的信號驅動能力。eSATA連接器與SATA連接器略有不同，彼此不能互換。圖2所示為SATA和eSATA的電纜端頭。兩個電纜端頭看起來相似，但是SATA電纜端頭有一個槽口。


圖2. SATA和eSATA電纜連接器

采用eSATA后，eSATA有兩條數據鏈路，比USB 2.0快出很多倍，系統總性能實際上與內部驅動器相同。

設計人員面臨一個兩難問題：一方面他們需要客戶提供必須的eSATA端口，另一方面，他們首先要確定SATA控制器在母板上的位置，使其能夠與設計整體達到最佳匹配。由于電路板限制，而且需要把eSATA連接器放在最容易連接的地方，設計人員不得不跨過電路板進行布線。考慮到連接器的損耗，信號可能達不到eSATA信號電平要求。

MAX4951滿足了eSATA的要求

MAX4951 SATA雙向轉接器的推出有助于解決電路板/電纜損耗問題，完全滿足eSATA的驅動要求。MAX4951最合適的位置是靠近eSATA連接器放置。該器件非常小(只有4mm x 4mm)，只需3.3V供電，其面向北橋的輸入可承受6dB損耗，而且還很容易提供足夠的輸出以驅動eSATA電纜。

MAX4951含有兩個限幅差分放大器，輸入和輸出都有內部50Ω終端匹配。每個放大器的輸出級都可以由2個比特單獨進行控制，通常在電路板設計階段來設置這兩個比特。如果電路板驅動eSATA，那么，比特1 (B1)應設置為高電平；如果MAX4951小于6in (< 0.15m)，那么，比特0 (B0)應浮空，如果距離≥ 6in，則應設置為高電平。出于設計目的，設計人員可能希望在3.3V至B0之間放置一個1kΩ電阻，如果不需要，則不用安裝。

OOB管理

帶外(OOB)信號直接在MAX4951中進行處理。OOB信號是特殊的低數據速率命令，主機和驅動器需要利用這一信號進行通信或“握手”。在1.5Gpbs數據速率時，OOB信號由一系列突發構成。可以認為這些突發是其輸出通過一個開關的波形(圖3)。開關允許多個周期的1.5Gbps信號通過，主機/驅動器對這些突發周期進行解碼，完成通信。MAX4951專門針對管理OOB信號提供壓制電路。圖3所示為突發信號波形—有很多突發周期，每一周期后面是“無信號”時間。


圖3. OOB信號

轉接器要在SATA/eSATA環境中正常工作，器件必須能夠抑制或者“壓制”低于100mV的所有信號。沒有壓制功能時，轉接器會放大系統中的所有噪聲，從而損失OOB信號。使用MAX4951后，設計人員不需要針對OOB信號管理來進行任何特殊的工作—該信號直接通過MAX4951，所有噪聲都被壓制，防止噪聲干擾OOB信號。

接收靈敏度管理

設計人員應按照在電路板上產生100Ω平衡走線的規則來布板—布板軟件對此提供支持。主機和驅動器側都應該對MAX4951進行電容耦合。輸入信號電平應≥ 200mV_P-P。輸出電平可以設置為600mV_P-P或者900mV_P-P。

圖4所示為MAX4951工作在3.0Gbps以及輸入只有200mV_P-P時的眼圖。通過用戶引腳來選擇輸出。MAX4951提供雙向信號支持，在每一方向上，通過連接引腳來選擇其輸出電平。


圖4. MAX4951工作在3.0Gbps以及輸入只有200mV_P-P時的眼圖

輸出電平是900mV_P-P，而輸入只有200mV_P-P。在SATA 600mV_P-P限制下，眼圖幾乎相同。輸入即使只有200mV_P-P，輸出看起來也非常干凈。

設計實例

圖5中的原理圖是筆記本電腦或者臺式計算機應用中eSATA 轉接器的完整電路。該設計將SATA提升到eSATA電平。采用MAX4951之后，其引腳布局不需要跨過任何導線。這一設計可以用作MAX4951評估套件(EV kit)的基礎。


圖5. 筆記本電腦/臺式計算機設計采用了MAX4951將SATA信號提升到eSATA電平

結論

很多新的筆記本電腦/臺式計算機設計必須提供eSATA驅動支持。由于大部分設計人員無法控制北橋，他們必須采用某類主動轉接器來解決信號損耗問題。MAX4951 轉接器可接受經過6dB以上衰減的最小SATA輸出電平，產生的輸出信號滿足eSATA要求。對轉接器進行布板，使輸入和輸出直接通過，不會有交叉，不需要專門處理過孔或者其他布板問題。唯一增加的元件是幾個旁路電容和耦合電容。MAX4951匹配了主機傳輸線，eSATA非常干凈的輸出能夠通過2m電纜驅動外部eSATA硬盤驅動器。