硬件电路设计之USB电路设计

1 简介

USB是通用串行总线（Universal Serial Bus），其主要的特点是高速、灵活。USB的发展历史可追溯到1996年，随着时间的推移，USB的速率逐渐提高，现在USB 3.1最高的速率可达 10Gbps 。具体的发展历程见下表：

版本	最大传输	USB名称	供电能力	推出时间
USB 1.0	1.5Mbps	Low Speed	500mA	1996年01月
USB1.1	12Mbps	Full Speed	500mA	1998年09月
USB2.0	480Mbps	High Speed	500mA	2000年04月
USB3.0	1.5Gbps	Super Speed Gen1	900mA	2008年11月
USB3.1	10Gbps	Super Speed Gen2	900mA	2013年08月

2 USB设计说明

• USB是如何识别主机还是从机？

USB电路是有主从之分的，那么在物理层又是如何实现的。USB连接器上有一个USB_ID的引脚。 对于Host设备，USB_ID引脚拉低 ；对 应Device设备，USB_ID引脚置高或者悬空 。

• 如何实现高速模式与低速模式？

USB2.0的工作模式由高速模式和低速模式两种。当USB为Host时，D+、D-上分别接一个15K的下拉电阻，这样可以使得在没有设备插入的时候，D+、D-上始终保持低电平；当USB为Host时，D+和D-那么如何设计高速模式和低速模式，详情配置见下：

• 高速模式 ：D+被拉高，D-保持不变。
• 低速模式 ：D-被拉高，D+保持不变。
• 如何识别是USB2.0还是USB3.0？

插入电缆后等效电路可以看成一个RC回路，而RC回路有一个重要特性，就是时间常数，这个常数就是R和C乘积，也是影响充放电特性。

可以看出，插入和拔除电缆，将Vo充电到特定的电压，则插入电缆后，充电需要的时长增加了。电脑的USB 3.0主机就是根据这个特性探测到U盘是支持超速特性的，否则插入电缆前后如果充电到电压VO没有时间变化的话，电脑就认为是高速ü盘，而不是超速U盘了。

3 USB电路设计

• USB连接器

USB2.0内部塑料是白色；USB3.0内部塑料是蓝色。

• USB2.0电路
  USB2.0包含了一组差分信号、一组电源信号（5V电源+GND，通常需要连接电源开关）

• 共模电感L2 ：滤除共模干扰。
• TVS管D1、D2、D3 ：防止静电损坏板卡上的电子器件。
• 滤波电容C1、C2 ：给干扰提供一个低阻抗的路径。
• USB3.0电路
  USB3.0信号包含 一组低速差分信号 、 两组高速差分信号 、 一组电源信号 （5V电源+GND，通常需要连接电源开关），详情见下：

• 电源开关电路

USB的电源设计也是十分讲究的，USB 2.0采用5V电源供电，电流为600mA，该电源需要使用电源开关与板载的5V隔离开，此处我们选用的电源开关是TPS2065CDGN具体电路见下：

该型号是高电平使能，我们可以直接将Control Sinnal 连接到Fault Signal。当电流过大时，Fault Signal拉低，芯片失能，芯片输出关闭。

3 USB HUB电路设计

此处介绍两种USB HUB相关电路，分别是RTS5489-GR和RTS5411S-GRT。需要电路的同学可随时私聊我。

• RTS5489-GR HUB电路设计
• RTS5489-GR核心部分

RTS5489-GR有一个USB3.0上行接口、四个USB3.0下行接口，配置使用I2C接口。

• 电源部分
  供电采用3.3V，其它所需电源轨可通过内部LDO转换得到。

• 自检电路

• 晶振电路

• 配置电路

• Flash电路
  这部分电路可以不使用，具体得看需求。

• RTS5411S-GRT HUB电路设计
• RTS5489-GR核心部分
  RTS5489-GR有一个USB3.0上行接口、四个USB3.0下行接口，配置使用I2C接口。
  
• 电源部分

• 自检电路

• 晶振电路

• 配置电路