USB 接口電路設計常見(jiàn)問(wèn)題

USB是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價(jià)、方便使用的可熱拔插的串行接口。由于數據傳輸快，接口方便，支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)使USB設備得到廣泛應用。目前，市場(chǎng)上以USB2.0為接口的產(chǎn)品居多，但很多硬件新手在USB應用中遇到很多困擾，往往PCB裝配完之后USB接口出現各種問(wèn)題

比如通訊不穩定或是無(wú)法通訊，檢查原理圖和焊接都無(wú)問(wèn)題，或許這個(gè)時(shí)候就需懷疑PCB設計不合理。繪制滿(mǎn)足USB2.0數據傳輸要求的PCB對產(chǎn)品的性能及可靠性有著(zhù)極為重要的作用。

USB協(xié)議定義由兩根差分信號線(xiàn)（D+、D-）傳輸數字信號，若要USB設備工作穩定差分信號線(xiàn)就必須嚴格按照差分信號的規則來(lái)布局布線(xiàn)。根據筆者多年USB相關(guān)產(chǎn)品設計與調試經(jīng)驗，總結以下注意要點(diǎn)：

1.在元件布局時(shí)，盡量使差分線(xiàn)路最短，以縮短差分線(xiàn)走線(xiàn)距離（√為合理的方式，×為不合理方式）；

2.優(yōu)先繪制差分線(xiàn)，一對差分線(xiàn)上盡量不要超過(guò)兩對過(guò)孔（過(guò)孔會(huì )增加線(xiàn)路的寄生電感，從而影響線(xiàn)路的信號完整性），且需對稱(chēng)放置（√為合理的方式，×為不合理方式）； 

3.對稱(chēng)平行走線(xiàn)，這樣能保證兩根線(xiàn)緊耦合，避免90°走線(xiàn)，弧形或45°均是較好的走線(xiàn)方式（√為合理的方式，×為不合理方式）；

4.差分串接阻容，測試點(diǎn)，上下拉電阻的擺放（√為合理的方式，×為不合理方式）； 

5.由于管腳分布、過(guò)孔、以及走線(xiàn)空間等因素存在使得差分線(xiàn)長(cháng)易不匹配，而線(xiàn)長(cháng)一旦不匹配，時(shí)序會(huì )發(fā)生偏移，還會(huì )引入共模干擾，降低信號質(zhì)量。所以，相應的要對差分對不匹配的情況作出補償，使其線(xiàn)長(cháng)匹配，長(cháng)度差通?？刂圃?mil以?xún)?，補償原則是哪里出現長(cháng)度差補償哪里；

6.為了減少串擾，在空間許的情況下，其他信號網(wǎng)絡(luò )及地離差分線(xiàn)的間距至少20mil(20mil是經(jīng)驗值)，覆地與差分線(xiàn)的距離過(guò)近將對差分線(xiàn)的阻抗產(chǎn)生影響；

7.USB的輸出電流是500mA，需注意VBUS及GND的線(xiàn)寬，若采用的1Oz的銅箔，線(xiàn)寬大于20mil即可滿(mǎn)足載流要求，當然線(xiàn)寬越寬電源的完整性越好。

普通USB設備差分線(xiàn)信號線(xiàn)寬及線(xiàn)間距與整板信號線(xiàn)寬及線(xiàn)間距一致即可。然而當USB設備工作速度是480 Mbits/s，只做到以上幾點(diǎn)是不夠的，我們還需對差分信號進(jìn)行阻抗控制，控制差分信號線(xiàn)的阻抗對高速數字信號的完整性是非常重要的。

因為差分阻抗影響差分信號的眼圖、信號帶寬、信號抖動(dòng)和信號線(xiàn)上的干擾電壓。差分線(xiàn)阻抗一般控制在90（±10%）歐姆(具體值參照芯片手冊指導)，差分線(xiàn)阻抗與線(xiàn)寬W1、W2、T1成反比，與介電常數Er1成反比，與線(xiàn)間距S1成正比，與參考層的距離H1正比，如下圖是差分線(xiàn)的截面圖。

下圖為四層板的參考疊層，其中中間兩層為參考層，參考層通常為GND或Power，并且差分線(xiàn)所對應的參考層必須完整，不能被分割，否則會(huì )導致差分線(xiàn)阻抗不連續。若是以圖 2疊層設計四層板，通常設計時(shí)差分線(xiàn)采用4.5mil的線(xiàn)寬及5.5mil的線(xiàn)間距既可以滿(mǎn)足差分阻抗90Ω。

然而4.5mil線(xiàn)寬及5.5mil線(xiàn)間距只是我們理論設計值，最終電路板廠(chǎng)依據要求的阻抗值并結合生產(chǎn)的實(shí)際情況和板材會(huì )對線(xiàn)寬線(xiàn)間距及到參考層的距離做適當的調整。

以上所描述的布線(xiàn)規則是基于USB2.0設備，在USB布線(xiàn)過(guò)程中把握差分線(xiàn)路最短、緊耦合、等長(cháng)、阻抗一致且注意好USB電源線(xiàn)的載流能力，掌握好以上原則USB設備運行基本沒(méi)問(wèn)題。

來(lái)源：硬件攻城獅