USB设计指南.docx

USB设计USB通用串行总线(Universal Serial Bus)，目前我们所说的USB一般都是指USB2.0， USB2．0接口是目前许多高速数据传输设备的首选接口，从1．1过渡到2．O，作为其重要指标的设备传输速度，从1．5 Mbps；的低速和12 Mbps的全速，提高到如今的480 Mbps的高速。USB的特点不用多说大家也知道就是：速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便。???? 正是因为其以上优点现在很多视频设备也都采用USB传输。USB2．0设备高速数据传输PCB板设计。对于高速数据传输PCB板设计最主要的就是差分信号线设计，设计好坏关乎整个设备能否正常运行。1 USB2．0接口差分信号线设计USB2．0协议定义由两根差分信号线(D 、D-)传输高速数字信号，最高的传输速率为480 Mbps。差分信号线上的差分电压为400 mV，理想的差分阻抗(Zdiff)为90(1±O．1)Ω。在设计PCB板时，控制差分信号线的差分阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的，因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。由于不同软件测量存在一定偏差，所以一般我们都是要求控制在80Ω至100Ω间。差分线由两根平行绘制在PCB板表层(顶层或底层)发生边缘耦合效应的微带线(Microstrip)组成的，其阻抗由两根微带线的阻抗及其和决定，而微带线的阻抗(Zo)由微带线线宽(W)、微带线走线的铜皮厚度(T)、微带线到最近参考平面的距离(H)以及PCB板材料的介电常数(Er)决定，其计算公式为：Zo={87/sqrt(Er 1．41)]}ln[5．98H/(0．8W T)]。影响差分线阻抗的主要参数为微带线阻抗和两根微带线的线间距(S)。当两根微带线的线间距增加时，差分线的耦合效应减弱，差分阻抗增大；线间距减少时，差分线的耦合效应增强，差分阻抗减小。差分线阻抗的计算公式为：Zdiff=2Zo（1-0.48exp(-0.96S/H))。微带线和差分线的计算公式在O．1W／H2．0以及0．2S／H3．0的情况下成立。为了获得比较理想的信号质量和传输特性，高速USB2．0设备要求PCB板的叠层数至少为4层，可以选择的叠层方案为：顶层(信号层)、地层、电源层和底层(信号层)。不推荐在中间层走信号线，以免分割地层和电源层的完整性。普通PCB板的板厚为1．6 mm，信号层上的差分线到最近参考平面的距离H大约为11mil，走线的铜皮厚度T大约为O．65mil，填充材料一般为FR-4，介电常数Er为4．2。在H、T和Er已确定的条件下，由差分线2D阻抗模型以及微带线和差分线阻抗计算公式可以得到合适的线宽W和线间距S。当W=16mil，S=7mil时，Zdiff=87Ω。但通过上述公式来推导合适的走线尺寸的计算过程比较复杂，借助PCB阻抗控制设计软件Polar可以很方便的得到合适的结果，由Polar可以得到当W=11mil，S=5mil时，Zdiff=92.2Ω。在绘制USB2．O设备接口差分线时，应注意以下几点要求：①在元件布局时，应将USB2．O芯片放置在离地层最近的信号层，并尽量靠近USB插座，缩短差分线走线距离。②差分线上不应加磁珠或者电容等滤波措施，否则会严重影响差分线的阻抗。③如果USB2．O接口芯片需串联端电阻或者D 线接上拉电阻时．务必将这些电阻尽可能的靠近芯片放置。④将USB2．O差分信号线布在离地层最近的信号层。⑤在绘制PCB板上其他信号线之前，应完成USB2．0差分线和其他差分线的布线。⑥保持USB2．O差分线下端地层完整性，如果分割差分线下端的地层，会造成差分线阻抗的不连续性，并会增加外部噪声对差分线的影响。⑦在USB2．0差分线的布线过程中，应避免在差分线上放置过孔(via)，过孔会造成差分线阻抗失调。如果必须要通过放置过孔才能完成差分线的布线，那么应尽量使用小尺寸的过孔，并保持USB2．0差分线在一个信号层上。⑧保证差分线的线间距在走线过程中的一致性，使用Cadence绘图时可以用shove保证，但在使用Protel绘图时要特别注意。如果在走线过程中差分线的间距发生改变，会造成差分线阻抗的不连续性。⑨在绘制差分线的过程中，使用45°弯角或圆弧弯角来代替90°弯角，并尽量在差分线周围的150 mil范围内不要走其他的信号线，特别是边沿比较陡峭的数字信号线更加要注意其走线不能影响USB差分线。⑩差分线要尽量等长，如果两根线长度相差较大时，可以绘制蛇行线增加短线长度。2 USB2.0总线接口端电源线和地线设计USB接口有5个端点，分别为：USB电源(VBUS)、D-、D 、信号地(GND)和保护地(SHIELD)。上面已经介绍过如何设计D 、D-差分信号了，正确设计USB总线电源、信号地和保护地对USB