USB是比較通用的，這里就寫(xiě)USB2.0和3.0的通用設(shè)計(jì)規(guī)則，以及幾個(gè)實(shí)際中的注意事項(xiàng)。

一.電路設(shè)計(jì)

1.由于USB是外部接口，考慮到用戶使用的各種復(fù)雜條件，防止有短路的情況影響到板卡自身的電源，所以需要設(shè)計(jì)限流IC。

這里使用的限流IC還是比較簡(jiǎn)單的，首先根據(jù)負(fù)載確定限流IC芯片，USB2.0跟USB3.0跑的最大電流不一樣，限流的大小也不一樣，需要注意。

筆者以前做設(shè)計(jì)用過(guò)另外一種限流IC，保護(hù)時(shí)能輸出狀態(tài)IO，這個(gè)信號(hào)可以連接到板卡的SOC，或者MCU等，以進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。

2.電容

因?yàn)閁SB設(shè)備拔插的時(shí)候，電壓會(huì)波動(dòng)，尤其是插入的時(shí)候，需要較大的電流，需要在接口附近使用較大的電容，防止電壓被拉低。為了電源的干凈，也可以增加兩枚小電容。

3. 信號(hào)線。USB信號(hào)走的是差分信號(hào)，為了保護(hù)，需要在鏈路上增加TVS管，理論上每個(gè)元器件都有一定的容性，所以選用TVS管的時(shí)候，盡量選擇容性負(fù)載小一些的，對(duì)信號(hào)影響最小。保護(hù)電壓不必太大，考慮USB差分信號(hào)幅值大小來(lái)選型即可。考慮到PCB走線阻抗的連續(xù)性，TVS管在板卡的位置，距離USB座子不宜太遠(yuǎn)也不宜太近。太遠(yuǎn)不利于TVS，太近則會(huì)導(dǎo)致阻抗跌落。

二. USB2.0

以下為USB電路設(shè)計(jì)；

1）U28是過(guò)流保護(hù)器件，USB協(xié)議中規(guī)定USB端口供電5V，電流500mA，超過(guò)該值要能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷輸出，另外在負(fù)載短路時(shí)也能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，所以使用該器件，該器件叫做負(fù)載開(kāi)關(guān)芯片。

2）L11是共模電感，共模電流會(huì)導(dǎo)致EMC測(cè)試中的輻射測(cè)試超標(biāo)，差分信號(hào)不平衡將會(huì)導(dǎo)致該情況發(fā)生，所以增加共模電感，來(lái)減小/阻礙共模電流。實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，這個(gè)共模電感可以和兩顆0402的電阻做共-lay，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)決定電感要不要上件。如果貼電阻的情況下，EMC的表現(xiàn)也很好，那么就不貼共模電感，只貼電阻就可以了，畢竟一個(gè)共模電感可以買(mǎi)好多個(gè)電阻了，成本差異很明顯。

3）U29是靜電防護(hù)器件，因?yàn)閁SB端口我們會(huì)使用手插入U(xiǎn)SB設(shè)備，可能導(dǎo)致電源、數(shù)據(jù)線上有靜電放電，用該器件來(lái)保護(hù)CPU端口。一般這個(gè)靜電防護(hù)器件要注意結(jié)電容，結(jié)電容和信號(hào)速率相關(guān)。USB信號(hào)上通常用的ESD器件的結(jié)電容在幾pF左右。同時(shí)，在PCB上，這個(gè)ESD器件不要有分叉走線，最好把ESD器件的焊盤(pán)直接放在USB信號(hào)線上。

4）Vbus上的電容，這是因?yàn)閁SB設(shè)備插入時(shí)瞬間電流較大，則可能導(dǎo)致Vbus電壓下降，此時(shí)需要滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所以增加電容來(lái)穩(wěn)定電壓。

5）FB13是信號(hào)地和外殼屏蔽地之間的隔離磁珠，磁珠是耗能原件，來(lái)消耗掉不需要的干擾高頻信號(hào)，直流下基本上沒(méi)作用。

6）J19是USB端子，可能是電腦那種的USB母頭，也可能是手機(jī)上的Micro USB接口。

7）在USB靠近端子側(cè)放置電阻是靜電防護(hù)作用，因?yàn)橛袝r(shí)候靜電防護(hù)器件還沒(méi)起作用，就要靠這個(gè)電阻起作用了。

三. USB3.0

USB3.0相比2.0在硬件物理連接上有較大的改變，采用的是RX/TX全雙工鏈路設(shè)計(jì)，由2對(duì)差分信號(hào)組成，同時(shí)向下兼容USB2.0，所以整個(gè)接口有3對(duì)差分信號(hào)，分別為USB3_RXM/USB3_RXP，USB3_TXM/USB3_TXP，USB2_DM/USB2_DP，USB3.0的傳輸速率可達(dá)到5Gbps，相比USB2.0 480Mbps有比較大的提供。

硬件原理設(shè)計(jì)

如下圖，為USB3.0的Data數(shù)據(jù)連接原理圖，從電路上可以看是USB2.0為半雙工，數(shù)據(jù)收發(fā)在一對(duì)差分信號(hào)上傳輸。USB3.0為全雙工，收發(fā)信號(hào)為獨(dú)立的傳輸路徑；其次，由于Sink端的直流偏置電壓和source端的直流偏置電壓不一樣，故要需要串入AC耦合電容，電容一般取100nF，一般靠近驅(qū)動(dòng)端放置，電容在設(shè)計(jì)上要求ESR ESL（特別重要）盡量小。

USB 3.0的Host的RX連接到Device Tx，Host的Tx連接到Device的 Rx，類似于我們常用的UART接口的連接。

PCB Layout設(shè)計(jì)

硬件連接上相對(duì)比較簡(jiǎn)單，最終需要PCB Layout設(shè)計(jì)來(lái)保證信號(hào)的完整性，接下來(lái)從PCB層疊結(jié)構(gòu)、阻抗控制、走線要求等細(xì)節(jié)上說(shuō)明USB3.0的設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

阻抗控制：90Ω差分阻抗±10%

AC耦合電容：100nF

USB2.0: 5V,500mA

USB3.0: 5V,1A

1. PCB層疊結(jié)構(gòu)要求

以下是4層板的層疊結(jié)構(gòu)圖，可通過(guò)Si9000計(jì)算出差分對(duì)所約束的線寬線距。

對(duì)于PCB阻抗線的定義，受那些物理參數(shù)影響，請(qǐng)自行查閱相關(guān)

2. USB差分阻抗控制要求

參考USB PHY手冊(cè)，基于上圖的層疊結(jié)構(gòu)，計(jì)算出差分信號(hào)所要求的線寬線距，本文為ASM1153 為例進(jìn)行闡述：

ASM1153為USB 3.0轉(zhuǎn)Sata接口的橋芯片，要求USB 3.0的差分阻抗為85歐，USB2.0為90歐，差分對(duì)等長(zhǎng)公差在+/-5mil。

3. PCB走線要求

5Gbps的速率需要以高速線的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)嚴(yán)格把關(guān)走線，充分考慮PCB的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

3.1 PCB出線要求盡可能平等出差，具體走線參考下圖：

3.2 走線換層需要在信號(hào)過(guò)孔旁邊增加地過(guò)孔，用于信號(hào)的回流（高速通用規(guī)則）

3.3 USB信號(hào)測(cè)試點(diǎn)的放置建議如下圖，“一”字形放置在路徑上，非Y字形或T字形放置，并且測(cè)試焊盤(pán)如果走線不連續(xù)的較大焊盤(pán)，請(qǐng)將相鄰層的GND層垂直于測(cè)試焊盤(pán)掏空，避免出現(xiàn)影響信號(hào)的寄生電容或等效電容。測(cè)試點(diǎn)的焊盤(pán)尺寸，應(yīng)盡可能的小，如果必需要放置測(cè)試點(diǎn)的話，比照0402封裝的焊盤(pán)尺寸或直接將測(cè)試點(diǎn)放置在信號(hào)線的過(guò)孔上。

3.4 關(guān)于等長(zhǎng)匹配蛇形線的走線方式，建議按下圖方式走線

3.5 USB3.0 的P/M如果走線上有交差，可以將差分對(duì)的P/M交換，USB3允許P/M反轉(zhuǎn)

四. 注意事項(xiàng)

USB2.0信號(hào)線換層次數(shù)。

一般是要求換層2次，即從SoC扇出換層一次，到Device端或者連接器端換層一次。十幾種換3~4次也沒(méi)有問(wèn)題，但最好每次換層都伴隨GND過(guò)孔，每個(gè)信號(hào)線一個(gè)，空間受限的話也可以兩個(gè)信號(hào)先共用一個(gè)。

USB3.0信號(hào)

USB3.0速率更高，這方面的要求會(huì)更嚴(yán)格一點(diǎn)。在實(shí)際項(xiàng)目中，也可以參考2.0的信號(hào)處理。

如果是核心板和底板的方式，那么用非高速的普通連接器問(wèn)題也不大。

審核編輯：郭婷