USB2.0和3.0的通用设计规则和注意事项

USB是比较通用的，这里就写USB2.0和3.0的通用设计规则，以及几个实际中的注意事项。

一.电路设计

1.由于USB是外部接口，考虑到用户使用的各种复杂条件，防止有短路的情况影响到板卡自身的电源，所以需要设计限流IC。

这里使用的限流IC还是比较简单的，首先根据负载确定限流IC芯片，USB2.0跟USB3.0跑的最大电流不一样，限流的大小也不一样，需要注意。

笔者以前做设计用过另外一种限流IC，保护时能输出状态IO，这个信号可以连接到板卡的SOC，或者MCU等，以进行状态检测。

2.电容

因为USB设备拔插的时候，电压会波动，尤其是插入的时候，需要较大的电流，需要在接口附近使用较大的电容，防止电压被拉低。为了电源的干净，也可以增加两枚小电容。

3. 信号线。USB信号走的是差分信号，为了保护，需要在链路上增加TVS管，理论上每个元器件都有一定的容性，所以选用TVS管的时候，尽量选择容性负载小一些的，对信号影响最小。保护电压不必太大，考虑USB差分信号幅值大小来选型即可。考虑到PCB走线阻抗的连续性，TVS管在板卡的位置，距离USB座子不宜太远也不宜太近。太远不利于TVS，太近则会导致阻抗跌落。

二. USB2.0

以下为USB电路设计；

1）U28是过流保护器件，USB协议中规定USB端口供电5V，电流500mA，超过该值要能实现关断输出，另外在负载短路时也能实现关断，所以使用该器件，该器件叫做负载开关芯片。

2）L11是共模电感，共模电流会导致EMC测试中的辐射测试超标，差分信号不平衡将会导致该情况发生，所以增加共模电感，来减小/阻碍共模电流。实际产品设计中，这个共模电感可以和两颗0402的电阻做共-lay，然后根据实际测试的数据决定电感要不要上件。如果贴电阻的情况下，EMC的表现也很好，那么就不贴共模电感，只贴电阻就可以了，毕竟一个共模电感可以买好多个电阻了，成本差异很明显。

3）U29是静电防护器件，因为USB端口我们会使用手插入USB设备，可能导致电源、数据线上有静电放电，用该器件来保护CPU端口。一般这个静电防护器件要注意结电容，结电容和信号速率相关。USB信号上通常用的ESD器件的结电容在几pF左右。同时，在PCB上，这个ESD器件不要有分叉走线，最好把ESD器件的焊盘直接放在USB信号线上。

4）Vbus上的电容，这是因为USB设备插入时瞬间电流较大，则可能导致Vbus电压下降，此时需要满足标准规定，所以增加电容来稳定电压。

5）FB13是信号地和外壳屏蔽地之间的隔离磁珠，磁珠是耗能原件，来消耗掉不需要的干扰高频信号，直流下基本上没作用。

6）J19是USB端子，可能是电脑那种的USB母头，也可能是手机上的Micro USB接口。

7）在USB靠近端子侧放置电阻是静电防护作用，因为有时候静电防护器件还没起作用，就要靠这个电阻起作用了。

三. USB3.0

USB3.0相比2.0在硬件物理连接上有较大的改变，采用的是RX/TX全双工链路设计，由2对差分信号组成，同时向下兼容USB2.0，所以整个接口有3对差分信号，分别为USB3_RXM/USB3_RXP，USB3_TXM/USB3_TXP，USB2_DM/USB2_DP，USB3.0的传输速率可达到5Gbps，相比USB2.0 480Mbps有比较大的提供。

硬件原理设计

如下图，为USB3.0的Data数据连接原理图，从电路上可以看是USB2.0为半双工，数据收发在一对差分信号上传输。USB3.0为全双工，收发信号为独立的传输路径；其次，由于Sink端的直流偏置电压和source端的直流偏置电压不一样，故要需要串入AC耦合电容，电容一般取100nF，一般靠近驱动端放置，电容在设计上要求ESR ESL（特别重要）尽量小。

USB 3.0的Host的RX连接到Device Tx，Host的Tx连接到Device的 Rx，类似于我们常用的UART接口的连接。

PCB Layout设计

硬件连接上相对比较简单，最终需要PCB Layout设计来保证信号的完整性，接下来从PCB层叠结构、阻抗控制、走线要求等细节上说明USB3.0的设计的注意事项。

阻抗控制：90Ω差分阻抗±10%

AC耦合电容：100nF

USB2.0: 5V,500mA

USB3.0: 5V,1A

1. PCB层叠结构要求

以下是4层板的层叠结构图，可通过Si9000计算出差分对所约束的线宽线距。

对于PCB阻抗线的定义，受那些物理参数影响，请自行查阅相关

2. USB差分阻抗控制要求

参考USB PHY手册，基于上图的层叠结构，计算出差分信号所要求的线宽线距，本文为ASM1153 为例进行阐述：

ASM1153为USB 3.0转Sata接口的桥芯片，要求USB 3.0的差分阻抗为85欧，USB2.0为90欧，差分对等长公差在+/-5mil。

3. PCB走线要求

5Gbps的速率需要以高速线的设计规则来严格把关走线，充分考虑PCB的设计细节

3.1 PCB出线要求尽可能平等出差，具体走线参考下图：

3.2 走线换层需要在信号过孔旁边增加地过孔，用于信号的回流（高速通用规则）

3.3 USB信号测试点的放置建议如下图，“一”字形放置在路径上，非Y字形或T字形放置，并且测试焊盘如果走线不连续的较大焊盘，请将相邻层的GND层垂直于测试焊盘掏空，避免出现影响信号的寄生电容或等效电容。测试点的焊盘尺寸，应尽可能的小，如果必需要放置测试点的话，比照0402封装的焊盘尺寸或直接将测试点放置在信号线的过孔上。

3.4 关于等长匹配蛇形线的走线方式，建议按下图方式走线

3.5 USB3.0 的P/M如果走线上有交差，可以将差分对的P/M交换，USB3允许P/M反转

四. 注意事项

USB2.0信号线换层次数。

一般是要求换层2次，即从SoC扇出换层一次，到Device端或者连接器端换层一次。十几种换3~4次也没有问题，但最好每次换层都伴随GND过孔，每个信号线一个，空间受限的话也可以两个信号先共用一个。

USB3.0信号

USB3.0速率更高，这方面的要求会更严格一点。在实际项目中，也可以参考2.0的信号处理。

如果是核心板和底板的方式，那么用非高速的普通连接器问题也不大。

审核编辑：郭婷