2024年3月29日发(作者：锐暮芸)
USB2.0闪存盘控制芯片“优芯II号”的特点及应用电路
深圳市朗科科技有限公司推出的采用0.18um CMOS工艺的“优芯II号”USB2.0闪存盘控制芯片。在优芯II
号的应用中，除了必需的优芯II号和闪存，只需要一个5V到3.3V的电压调整IC、一个12兆赫兹晶体振
荡器和电压滤波电容就可以组成完整的系统，BOM成本非常低。而且优芯II号支持目前市场上主流的半
导体存储芯片，包括三星、东芝、ST、Hynix、美光和瑞萨等公司的SLC、MLC及AG-AND 8/16位闪存。
USB技术概述
英特尔等世界著名的7家计算机公司和通讯公司于1995年11月正式制定了USB0.9通用串行总线规范。
1996年1月USB1.0标准推出，1998年9月他们又制定出整合了电磁传送的规格、协议以及软硬件技术的
USB1.1标准。2000年8月，USB标准升级到2.0，衍生有OTG(On-The-Go)技术。2005年5月，无线USB1.0
标准确定。
在USB 1.1标准中，USB分为低速(LS)1.5Mbps、全速(FS)12Mbps。在2.0的标准中，除了包括1.1标准中
的所有规定，还增加了高速(HS)480Mbps。在这里特别要说明的是，现在市面上销售的USB产品，如闪存
盘、
MP3等，标明是USB 2.0，标识并没有错，也是某些厂商的投机取巧，而对于用户来讲，是否为支持
高速版才是最重要的。
USB在主机和设备之间的传输方式有四种：分别为控制传输、同步传输(如CDC类，包括调制解调、PC摄
像头等)、中断传输(如HID类，包括USB鼠标、键盘等输入设备)、批量(bulk)传输。批量(bulk)传输主要应
用于USB海量存储(Mass storage)，这个类包括闪存盘、数码相机、MP3播放器等。
芯片功能
优芯II号是面向于闪存盘的ASIC，属于USB海量存储类别范畴，完全符合FS和HS规范，而LS对于存
储来说并不需要。考虑已经习惯的说法，优芯II号符合USB 2.0协议，向后兼容USB 1.1标准。它实现了
模拟USB HDD/ZIP/FDD的启动，通过GPIO口驱动LED指示闪存盘的工作状态。如前所述，该芯片具有
良好的闪存兼容性，支持目前市场上主流的半导体存储芯片。
优芯II号量产产品采用LQFP 48封装，同时提供二次开发版本(LQFP 80封装)，可外接Flash ROM或ROM
仿真器开发。其片内程序ROM空间为64K，完全满足闪存盘功能应用。它支持WINDOWS 98/Me/2000/XP
⑥/2003、Mac OS 9.x/X、Linux 2.4.x以上内核操作系统。
值得一提的是，优芯II号使用了已经提交为发明专利的双通道技术(D-Channel)和双缓冲技术
(D-Buffer)，提
供了超过16MBps的写速度、20MBps的读速度。其内部集成了在线式编解码ECC功能模块，ECC功能模
块采用了Reed-Solomon算法，并且配合朗科科技有限公司独有的USAFE超稳定技术，最大程度的保证了
数据的安全，而且优芯II号具有密码保护功能，保护闪存数据私有性。
图1为优芯II号的结构框图。其内部的电源管理模块使得采用该芯片的闪存盘完全符合USB的电源管理要
求(连接设备小于100mA)，工作在20MBps的高速模式下时工作电流在70mA以下，休眠电流380uA，小
于USB标准的500uA。
图
1
：优芯
II
号的结构框图。
优芯II号采用扫描链、存储器内置自测试(BIST)、USB 收发器BIST，测试覆盖率达到99%以上，并且实
现了晶圆级和芯片级的测试，保证交货的芯片良率。
设计特点和应用电路
优芯II号的管脚如图2所示，USB差分信号线DP、DM的排列直接连接到USB头DP、DM，避免了目前
市面上多数USB 2.0闪存盘控制芯片DP、DM的连接绕弯或打过孔连接到USB头，从而保证了信号质量、
提高了对于不同电脑主板的兼容性。
图
2
：优芯
II
号管脚示意图
晶体振荡器输入输出管脚(XSCI、XSCO)的排列，使得在PCB上的布局对其他信号没有任何影响，有利于
抑制噪声。
闪存接口信号(FIO0~FIO15)的排列对于单片8位或单片16位的闪存是直接连接，对于两片8位或两片16
位的闪存，采用双面贴片，也保证了直接连接，而信号走线的最短化则提高了信号质量。
该芯片有三组电源：模拟3.3V(VCC3A、VCC3A_U20、VCC3A_HS、GNDA、GNDA_U20、GNDA_HS)
向收发器、锁相环、振荡器、内部电压调整器供电；数字3.3V为输入输出供电；数字1.8V向内部逻辑和
存储器供电。数字逻辑部分容易带来噪声，而模拟电路部分需要比较稳定的电源，在应用中需要通过电感
或磁珠将模拟电源和数字电源隔离。(备注：这里电源是指VCC和GND对。某些工程师认为只是将VCC
隔离，而GND连在一起，这种理解是不对的)。
优芯II号内部需要的上电复位时间为3.7us，时钟输出需要771us，时钟输出到优芯II号正常工作需要937us。
理论上，复位时间在3.7us~771us之内，对该芯片正常工作没有任何影响。外部复位电路调试时要考虑电源
电压稳定时间、闪存上电稳定时间、抗干扰能力等因素，参考电路如图3。
图
3
：外部复位参考电路
优芯II号外接振荡电路如图4所示。电阻RS常用来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗晶振
的接触电镀，这将引起频率的上升。可用一台示波器检测OSCO输出脚，如果检测到一个非常清晰的正弦
波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰、
波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。
图
4
：外接振荡电路
判断电阻RS值大小的最简单方法就是串联一个5kΩ或10kΩ的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正
弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。在晶体振荡下，电阻RF≈1MΩ。相位
调节电容C1为22pF，增益调节电容C2为30pF。在许可范围内，C1、C2值越低越好。C值偏大虽有利于
振荡器的稳定，但将会增加起振时间。 应使C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。
作者：石学锦
芯片设计工程师
深圳市朗科科技有限公司
2024年3月29日发(作者：锐暮芸)
USB2.0闪存盘控制芯片“优芯II号”的特点及应用电路
深圳市朗科科技有限公司推出的采用0.18um CMOS工艺的“优芯II号”USB2.0闪存盘控制芯片。在优芯II
号的应用中，除了必需的优芯II号和闪存，只需要一个5V到3.3V的电压调整IC、一个12兆赫兹晶体振
荡器和电压滤波电容就可以组成完整的系统，BOM成本非常低。而且优芯II号支持目前市场上主流的半
导体存储芯片，包括三星、东芝、ST、Hynix、美光和瑞萨等公司的SLC、MLC及AG-AND 8/16位闪存。
USB技术概述
英特尔等世界著名的7家计算机公司和通讯公司于1995年11月正式制定了USB0.9通用串行总线规范。
1996年1月USB1.0标准推出，1998年9月他们又制定出整合了电磁传送的规格、协议以及软硬件技术的
USB1.1标准。2000年8月，USB标准升级到2.0，衍生有OTG(On-The-Go)技术。2005年5月，无线USB1.0
标准确定。
在USB 1.1标准中，USB分为低速(LS)1.5Mbps、全速(FS)12Mbps。在2.0的标准中，除了包括1.1标准中
的所有规定，还增加了高速(HS)480Mbps。在这里特别要说明的是，现在市面上销售的USB产品，如闪存
盘、
MP3等，标明是USB 2.0，标识并没有错，也是某些厂商的投机取巧，而对于用户来讲，是否为支持
高速版才是最重要的。
USB在主机和设备之间的传输方式有四种：分别为控制传输、同步传输(如CDC类，包括调制解调、PC摄
像头等)、中断传输(如HID类，包括USB鼠标、键盘等输入设备)、批量(bulk)传输。批量(bulk)传输主要应
用于USB海量存储(Mass storage)，这个类包括闪存盘、数码相机、MP3播放器等。
芯片功能
优芯II号是面向于闪存盘的ASIC，属于USB海量存储类别范畴，完全符合FS和HS规范，而LS对于存
储来说并不需要。考虑已经习惯的说法，优芯II号符合USB 2.0协议，向后兼容USB 1.1标准。它实现了
模拟USB HDD/ZIP/FDD的启动，通过GPIO口驱动LED指示闪存盘的工作状态。如前所述，该芯片具有
良好的闪存兼容性，支持目前市场上主流的半导体存储芯片。
优芯II号量产产品采用LQFP 48封装，同时提供二次开发版本(LQFP 80封装)，可外接Flash ROM或ROM
仿真器开发。其片内程序ROM空间为64K，完全满足闪存盘功能应用。它支持WINDOWS 98/Me/2000/XP
⑥/2003、Mac OS 9.x/X、Linux 2.4.x以上内核操作系统。
值得一提的是，优芯II号使用了已经提交为发明专利的双通道技术(D-Channel)和双缓冲技术
(D-Buffer)，提
供了超过16MBps的写速度、20MBps的读速度。其内部集成了在线式编解码ECC功能模块，ECC功能模
块采用了Reed-Solomon算法，并且配合朗科科技有限公司独有的USAFE超稳定技术，最大程度的保证了
数据的安全，而且优芯II号具有密码保护功能，保护闪存数据私有性。
图1为优芯II号的结构框图。其内部的电源管理模块使得采用该芯片的闪存盘完全符合USB的电源管理要
求(连接设备小于100mA)，工作在20MBps的高速模式下时工作电流在70mA以下，休眠电流380uA，小
于USB标准的500uA。
图
1
：优芯
II
号的结构框图。
优芯II号采用扫描链、存储器内置自测试(BIST)、USB 收发器BIST，测试覆盖率达到99%以上，并且实
现了晶圆级和芯片级的测试，保证交货的芯片良率。
设计特点和应用电路
优芯II号的管脚如图2所示，USB差分信号线DP、DM的排列直接连接到USB头DP、DM，避免了目前
市面上多数USB 2.0闪存盘控制芯片DP、DM的连接绕弯或打过孔连接到USB头，从而保证了信号质量、
提高了对于不同电脑主板的兼容性。
图
2
：优芯
II
号管脚示意图
晶体振荡器输入输出管脚(XSCI、XSCO)的排列，使得在PCB上的布局对其他信号没有任何影响，有利于
抑制噪声。
闪存接口信号(FIO0~FIO15)的排列对于单片8位或单片16位的闪存是直接连接，对于两片8位或两片16
位的闪存，采用双面贴片，也保证了直接连接，而信号走线的最短化则提高了信号质量。
该芯片有三组电源：模拟3.3V(VCC3A、VCC3A_U20、VCC3A_HS、GNDA、GNDA_U20、GNDA_HS)
向收发器、锁相环、振荡器、内部电压调整器供电；数字3.3V为输入输出供电；数字1.8V向内部逻辑和
存储器供电。数字逻辑部分容易带来噪声，而模拟电路部分需要比较稳定的电源，在应用中需要通过电感
或磁珠将模拟电源和数字电源隔离。(备注：这里电源是指VCC和GND对。某些工程师认为只是将VCC
隔离，而GND连在一起，这种理解是不对的)。
优芯II号内部需要的上电复位时间为3.7us，时钟输出需要771us，时钟输出到优芯II号正常工作需要937us。
理论上，复位时间在3.7us~771us之内，对该芯片正常工作没有任何影响。外部复位电路调试时要考虑电源
电压稳定时间、闪存上电稳定时间、抗干扰能力等因素，参考电路如图3。
图
3
：外部复位参考电路
优芯II号外接振荡电路如图4所示。电阻RS常用来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗晶振
的接触电镀，这将引起频率的上升。可用一台示波器检测OSCO输出脚，如果检测到一个非常清晰的正弦
波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰、
波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。
图
4
：外接振荡电路
判断电阻RS值大小的最简单方法就是串联一个5kΩ或10kΩ的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正
弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。在晶体振荡下，电阻RF≈1MΩ。相位
调节电容C1为22pF，增益调节电容C2为30pF。在许可范围内，C1、C2值越低越好。C值偏大虽有利于
振荡器的稳定，但将会增加起振时间。 应使C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。
作者：石学锦
芯片设计工程师
深圳市朗科科技有限公司