USB2.0设备高速数据传输PCB板设计

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。

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。

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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．1

❂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。

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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 系统的正常工作也是同样重要的。

USB 电源线电压为 5 V，提供的最大电流为500mA，应将电源线布置在靠近电源层的信号层上，而不是布置在与 USB 差分线所在的相同层上，线宽应在 30mil 以上，以减少它对差分信号线的干扰。现在很多厂家的 USB 从控制芯片工作电压为 3．3 V，当其工作在总线供电模式时，需要 3．3～5 V 的电源转换芯片，电源转换芯片的输出端应尽量靠近 USB 芯片的电压输入端，并且电源转换芯片的输入和输出端都应加大容量电容并联小容量电容进行滤波。当 USB 从控制芯片工作在自供电的模式时，USB 电源线可以串联一个大电阻接到地。

USB 接口的信号地应与 PCB 板上的信号地接触良好，保护地可以放置在 PCB板的任何一层上，它和信号地分割开，两个地之间可以用一个大电阻并联一个耐压值较高的电容，如图 2 所示。

保护地和信号地之间的间距不应小于 25mil， 以减少两个地之间的边缘耦合作用。保护地不要大面积覆铜，一根 100mli 宽度的铜箔线就已能满足保护地的功能需要了。

❂在绘制 USB 电源线、信号地和保护地时，应注意以下几点：

①USB 插座的 1、2、3、4 脚应在信号地的包围范围内，而不是在保护地的包围范围内。

②USB 差分信号线和其他信号线在走线的时候不应与保护地层出现交叠。

③电源层和信号地层在覆铜的时候要注意不应与保护地层出现交叠。

④电源层要比信号地层内缩20D，D 为电源层与信号地层之间的距离。

⑤如果差分线所在层的信号地需要大面积覆铜，注意信号地与差分线之间要保证 35 mil 以上的间距，以免覆铜后降低差分线的阻抗。

⑥在其他信号层可以放置一些具有 信号地属性的过孔，增加信号地的连接性，缩短信号电流回流路径。

⑦在 USB 总线的 电源线和 PCB 板的电源线上，可以加磁珠增加电源的抗干扰能力。

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USB2．0 其他信号的拓扑结构设计

USB2．O 提供高达 480 Mbps 的传输速率，因此芯片需要外接一个较高频率的晶振，例如 Cypress 公司的 CY7C68013 需要外接 1 个 24 MHz 的晶振。晶振应尽量靠近 USB 芯片的时钟输入脚，时钟线不能跨越 USB2．0 的差分线，晶振下不要布置任何信号线，并且在时钟线周围应覆有完整的信号地，以降低时钟线对其他信号线的干扰，特别是对差分线的干扰。在绘制USB 芯片与其他芯片相连的数据线时，应保证线间距不小于 8mil。

按 EMC、EMI 原理和信号完整性要求设计的 USB2．0 设备 PCB 板，传输速率可以达到 300 Mbps 以上。高速数字信号传输 PCB 板设计是一个比较复杂的领域，对设计人员的要求比较高，设计周期也比较长。