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USB設(shè)計(jì)與調(diào)試前必看的7條經(jīng)驗(yàn)

發(fā)布時(shí)間:2019-06-25 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】USB協(xié)議定義由兩根差分信號(hào)線(D+、D-)傳輸數(shù)字信號(hào),若要USB設(shè)備工作穩(wěn)定差分信號(hào)線就必須嚴(yán)格按照差分信號(hào)的規(guī)則來布局布線。根據(jù)筆者多年USB相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn),總結(jié)以下7個(gè)注意要點(diǎn)。
 
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(shù)據(jù)傳輸快,接口方便,支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)使USB設(shè)備得到廣泛應(yīng)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(yīng)用中遇到很多困擾,往往PCB裝配完之后USB接口出現(xiàn)各種問題,比如通訊不穩(wěn)定或是無法通訊,檢查原理圖和焊接都無問題,或許這個(gè)時(shí)候就需懷疑PCB設(shè)計(jì)不合理。繪制滿足USB2.0數(shù)據(jù)傳輸要求的PCB對(duì)產(chǎn)品的性能及可靠性有著極為重要的作用。
 
USB協(xié)議定義由兩根差分信號(hào)線(D+、D-)傳輸數(shù)字信號(hào),若要USB設(shè)備工作穩(wěn)定差分信號(hào)線就必須嚴(yán)格按照差分信號(hào)的規(guī)則來布局布線。根據(jù)筆者多年USB相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn),總結(jié)以下注意要點(diǎn):
 
1.在元件布局時(shí),盡量使差分線路最短,以縮短差分線走線距離(√為合理的方式,×為不合理方式);
 
 
2.優(yōu)先繪制差分線,一對(duì)差分線上盡量不要超過兩對(duì)過孔(過孔會(huì)增加線路的寄生電感,從而影響線路的信號(hào)完整性),且需對(duì)稱放置(√為合理的方式,×為不合理方式); 
 
 
3.對(duì)稱平行走線,這樣能保證兩根線緊耦合,避免90°走線,弧形或45°均是較好的走線方式(√為合理的方式,×為不合理方式);
 
 
4.差分串接阻容,測(cè)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、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長(zhǎng)易不匹配,而線長(zhǎng)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(hào)質(zhì)量。所以,相應(yīng)的要對(duì)差分對(duì)不匹配的情況作出補(bǔ)償,使其線長(zhǎng)匹配,長(zhǎng)度差通??刂圃?mil以內(nèi),補(bǔ)償原則是哪里出現(xiàn)長(zhǎng)度差補(bǔ)償哪里;
 
 
6.為了減少串?dāng)_,在空間允許的情況下,其他信號(hào)網(wǎng)絡(luò)及地離差分線的間距至少20mil(20mil是經(jīng)驗(yàn)值),覆地與差分線的距離過近將對(duì)差分線的阻抗產(chǎn)生影響;
 
 
7.USB的輸出電流是500mA,需注意VBUS及GND的線寬,若采用的1Oz的銅箔,線寬大于20mil即可滿足載流要求,當(dāng)然線寬越寬電源的完整性越好。
 
 
普通USB設(shè)備差分線信號(hào)線寬及線間距與整板信號(hào)線寬及線間距一致即可。然而當(dāng)USB設(shè)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(duì)差分信號(hào)進(jìn)行阻抗控制,控制差分信號(hào)線的阻抗對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的完整性是非常重要的。
 
因?yàn)椴罘肿杩褂绊懖罘中盘?hào)的眼圖、信號(hào)帶寬、信號(hào)抖動(dòng)和信號(hào)線上的干擾電壓。差分線阻抗一般控制在90(±10%)歐姆(具體值參照芯片手冊(cè)指導(dǎo)),差分線阻抗與線寬W1、W2、T1成反比,與介電常數(shù)Er1成反比,與線間距S1成正比,與參考層的距離H1正比,如下圖是差分線的截面圖。
 
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,并且差分線所對(duì)應(yīng)的參考層必須完整,不能被分割,否則會(huì)導(dǎo)致差分線阻抗不連續(xù)。若是以圖 2疊層設(shè)計(jì)四層板,通常設(shè)計(jì)時(shí)差分線采用4.5mil的線寬及5.5mil的線間距既可以滿足差分阻抗90Ω。
 
然而4.5mil線寬及5.5mil線間距只是我們理論設(shè)計(jì)值,最終電路板廠依據(jù)要求的阻抗值并結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際情況和板材會(huì)對(duì)線寬線間距及到參考層的距離做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
 
 
以上所描述的布線規(guī)則是基于USB2.0設(shè)備,在USB布線過程中把握差分線路最短、緊耦合、等長(zhǎng)、阻抗一致且注意好USB電源線的載流能力,掌握好以上原則USB設(shè)備運(yùn)行基本沒問題。
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