1 概述

USB接口支持3種常用數據信號速率，1.5Mbps的低速速率，主要用于鍵盤、鼠標等。480Mbps的高速速率，用于USB2.0設備，例如U盤、光驅等。5Gbps的超高速速率，是USB2.0的10倍，可應用于外接硬碟、隨身碟或藍光燒錄機等儲存裝置，大幅縮短資料傳輸時間。

表1 USB信號速率

USB版本	速率稱號	頻寬	速度
USB3.0	超高速SuperSpeed	5Gbps	約500MB/S(5000 Mbit/S)
USB2.0	高速Hi Speed	480Mbps	約60MB/S(60,000KB/S)
USB1.1	全速Full Speed	12Mbps	約1.5MB/S(1,500KB/S)
USB1.0	低速Low Speed	1.5Mbps	187.5KB/S(192000Bytes/S)

2 PCB要求

經技術調研分析，USB板內信號長度要求如下：

表2 USB板內走線長度

類別	USB1.0	USB2.0	USB3.0	備注
板內走線（無HUB）	18inches	18inches	11inches	阻抗要求90±10%
板內走線（有HUB）	每一級HUB允許增加一段對應速率下最大長度

3線纜要求

3.1 USB線纜長度要求

表3 USB線纜長度

類別	USB1.0	USB2.0	USB3.0	備注
線纜（無HUB）	3.5米	5米	3米	阻抗要求90±10%
線纜（有HUB）	每一級HUB允許增加一段對應速率下最大長度

3.2USB線纜材質要求

表4 USB線纜材質要求

類別	USB1.0/USB2.0	USB3.0
要求	PVC絕緣材料； 外屏蔽層≥65%的鍍錫銅編織帶； 內屏蔽層：鋁箔； 28AWG規格的鍍錫銅接地線； USB供電與D+/D- USB電源線（VUSB/GND）和數據線（D+/D-）規格和材質要求：電源線要求滿足28-20AWG線規，材質必須為鍍錫銅線； 數據線（D+/D-）要求28AWG線規，材質為銀白色鍍錫銅線，不要使用裸銅線，數據線D+/D-需要做成雙絞線；	UTP傳輸的USB2.0信號，SDP用于傳輸3.0信號。高速差分信號需要有屏蔽，以保證信號完整性和EMI性能。每對SDP線附上屏蔽地線，通過連接器的GND_DRAIN連接系統地。金屬編織物必須包裹USB3.0電纜里的所有連接線，編織端接在金屬外殼上，盡可能接近360°，以抑制EMI。

下面具體分析USB走線長度對信號的影響。

1 USB1.0分析

1.1USB協議對1.0低速模式要求

1.1.1無HUB模式

USB2.0 Spec 7.1.16 Cable Delay章節對Low Speed模式Cable要求定義如下：

圖1 USB1.0低速模式下Cable線延時要求

圖2 USB1.0低速模式下Cable線特性

協議規定，一個低速USB設備在插口端必須要有一個帶有串行A口連接器的可控制電纜，其速率為1.5Mb/s，當電纜與設備相連時，在D+/D-線上必須要有一個200-450PF的單終端電容器。Cable線的延時不超過18ns。這是為了確保反射發生在第一個上升沿/下降沿的前半部分器件，允許電纜以集總電容近似。

規范表明，USB1.0協議傳輸時，也就是低速傳輸，線纜長度不能超過0.3米每納秒*18ns/根號介電常數=3.5米；連接線纜長度超過這些長度，即為數據包超時。延時太長的話信號就會認為是一個超時的信號（沒有用的信號）而被丟掉。

協議只定義了延遲，沒有直接定義長度。顯然，USB電纜的品質比長度更重要。

注：0.3米每納秒=光速， 0.3米每納秒/=線纜中信號傳輸速度， 線纜一般材料為PE，介電常數≈2.32

1.1.2有HUB模式

圖3 USB1.0低速模式下HUB連接要求

低速和全速模式，在配有HUB的狀態下總允許延時為70ns。因此，在使用長Cable線傳輸低速信號時，需要增加HUB，協議規定一共可以增加5個HUB，每段HUB可以增加協議規定的Cable線長度。

1.2 USB1.0眼圖測試

USB1.0速率為1.5Mbps，速率很低，阻抗匹配導致的反射和Cable線長導致的損耗對信號質量的影響很小，從眼圖測試結果來看，符合這個規律。

不帶Cable線	5米Cable線	10米Cable線	10米Cable線（2）

圖4 USB1.0低速模式不同Cable線長眼圖

協議沒有規定Low Speed模式從Host到Connector時延，但是規定了Full Speed和High Speed模式下Delay不超過3ns，全速模式和高速模式線纜需要兼容低速模式，因此這個時延也適用于低速模式。按照FR4材質信號傳輸速率約為6inch/ns,換算得知主板走線不超過18inch。

2USB2.0分析

2.1USB協議對2.0高速模式要求

2.1.1無HUB模式

USB2.0 Spec 7.1.16 Cable Delay章節對High Speed模式Cable要求定義如下：

The maximum total one-way signal propagation delay allowed is 30 ns. The allocation for cable delay is 26 ns.A maximum delay of 3 ns is allowed from a Host or Hub Controller downstream facing transceiver to its exterior downstream facing connector, while a maximum delay of 1 ns is allowed from the upstream facing connector to the upstream facing transceiver of any device. For a standard USB detachable cable, the cable delay is measured from the Series A connector pins to the Series B connector pins and is no more than 26 ns.For other cables, the delay is measured from the series A connector to the point where the cable is connected to the device. The cable delay must also be less than 5.2 ns per meter.

圖5 USB2.0高速/全速模式下Cable線要求

同理，高速模式兼容全速模式，Cable線的Delay為26ns，

0.3米每納秒*26ns/=5米；

協議規定Cable線的Delay必須小于5.2ns/米。

26/5.2=5米，按照第二種計算方式依然是5米，也就是說UBS2.0高速模式

下，線纜的最大長度為5米。

2.1.2有HUB模式

圖6 USB2.0高速模式下延時要求

規范表明，一個回程，也就是數據包從Host發出，到Host收到響應為止，所

允許的最大量是352ns+552 bit times，其中線纜分到312ns，HUB分到

40ns+360 bittimes，設備分到192bit times。這會是總的允許時間，也就是

USB多級聯后也不能超出這個時間。

最大支持5個HUB，6根Cable線，312/12=26ns，與圖5要求的Cable線時延一

致。即HUB級聯每段Cable線的最大長度是5米。

2.2 USB2.0眼圖仿真測試

當走線長度超過板內走線要求18inch。測試結果Fail，仿真結果與測試結果吻合。

圖6USB2.0眼圖測試結果

圖7a USB2.0源端仿真輸出

圖7b USB2.0接收端仿真眼圖

經過HUB后，眼圖測試結果Pass。說明HUB對信號恢復起到作用。

圖8 USB帶HUB眼圖測試結果

3USB3.0分析

3.1USB協議對3.0模式要求

圖9 USB3.0 Cable要求

由規范可知，USB3.0 5Gbps速率限制Cable長度的因素與2.0不同，主要是損耗和電壓壓降。

3.1.1損耗要求

圖10 USB3.0 Cable損耗曲線

圖11 USB3.0 Cable線損耗指標

USB3.0 Cable需要滿足2.5GHz損耗不超過7.5dB，由上表可知，如果使用30AWG的線，最多支 持2.5米，使用28AWG的線，最多支持3米。

3.1.2電壓要求

圖12 USB3.0 電壓要求

圖13 USB3.0 規范示例

從上述規范要求可以看到，一根22AWG的3米Cable線壓降降到4V，剛剛滿足最

低要求，而當瞬態電流增大時，電壓會降到3.67V，達不到地最低要求。因此3米

長度只是理想狀態。

3.2USB3.0板內走線長度

圖14 LSI 芯片USB3.0 走線要求

LSI芯片推薦的USB3.0板內走線下行最大值11inches，上行最大值5inches。

4USB線纜要求

4.1USB2.0 Cable

USB Cable內部包含4組導線，2組負載線，2組信號線，如圖

圖15 USB2.0 Cable要求

圖16 USB2.0 Cable剖面圖

正規USB2.0數據線組成從外往里數分別為

?PVC絕緣材料；

?外屏蔽層≥65%的鍍錫銅編織帶；

?內屏蔽層：鋁箔；

?28AWG規格的鍍錫銅接地線；

?USB供電與D+/D-

USB電源線（VUSB/GND）和數據線（D+/D-）規格和材質要求：

?電源線要求滿足28-20AWG線規，材質必須為鍍錫銅線；

?數據線（D+/D-）要求28AWG線規，材質為銀白色鍍錫銅線，不要使用裸銅線，數據線D+/D-需要做成雙絞線；

電氣性能需要滿足以下要求：

1.D+和D- Skew小于100ps；

2.差分阻抗90±15%，共模阻抗30±30%；

3.線纜的衰減需要滿足如下要求：

圖17 USB2.0 Cable損耗要求

圖18 USB2.0 Cable損耗曲線

4.2USB3.0 Cable

圖19 USB3.0 Cable剖面圖

上圖顯示了USB3.0電纜橫截面。有三組線：UTP信號對，屏蔽差分對（SDP、 雙絞線或屏蔽雙絞線對信號線），電源線和接地線。 UTP傳輸的USB2.0信號，SDP用于傳輸3.0信號。高速差分信號需要有屏蔽，以保證信號完整性和EMI性能。每對SDP線附上屏蔽地線，通過連接器的GND_DRAIN連接系統地。金屬編織物必須包裹USB3.0電纜里的所有連接線，編制端接在金屬外殼上，盡可能接近360°，以抑制EMI。

電氣特性需滿足以下要求：

1.差分對內延時小于15ps/m;

2.阻抗滿足90±10%；

3.2.5GHz RL<7.5dB,近端串擾<-27dB，差模轉共模小于-20dB；

總結：

USB2.0及之前的規格要求Port供電500mA

USB3.0要求一個Port可供電900mA

測試波形電壓幅度分別如下：

5調試建議

1.USB Power：主要影響USB信號的集中性，如果USB信號過于發散，就需要測試USB Power的noise;

2.Register：USB信號還可以通過寄存器調節振幅和Slew Rate（信號上升下降的速度）;

3.料件：Cable長度及材質、Connector材質、Common Choke S參數等；

4.Layout：阻抗，分叉線，Layout走線長度，路徑上的干擾源，VIA數量，等等。

5.信號增強：HUB、Redriver、Extender。

6案例分享

（1）外接5米外連線USB口使用異常，不識別設備，或者識別盤符后無法正常使用，測試眼圖如下：

（2）增強后USB口使用正常，測試眼圖得到較好恢復，如下：

審核編輯：劉清