USB2.0 PCB布線關鍵與經(jīng)驗教訓

ID:85681 · 發(fā)表于 2015-7-15 01:35

USB是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價、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)點使USB設備得到廣泛應用。目前，市場上以USB2.0為接口的產(chǎn)品居多，但很多硬件新手在USB應用中遇到很多困擾，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，或許這個時候就需懷疑PCB設計不合理。繪制滿足USB2.0數(shù)據(jù)傳輸要求的PCB對產(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線（D+、D-）傳輸數(shù)字信號，若要USB設備工作穩(wěn)定差分信號線就必須嚴格按照差分信號的規(guī)則來布局布線。根據(jù)筆者多年USB相關產(chǎn)品設計與調(diào)試經(jīng)驗，總結(jié)以下注意要點：
1. 在元件布局時，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，一對差分線上盡量不要超過兩對過孔（過孔會增加線路的寄生電感，從而影響線路的信號完整性），且需對稱放置（√為合理的方式，×為不合理方式）；

3. 對稱平行走線，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，測試點，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易不匹配，而線長一旦不匹配，時序會發(fā)生偏移，還會引入共模干擾，降低信號質(zhì)量。所以，相應的要對差分對不匹配的情況作出補償，使其線長匹配，長度差通常控制在5mil以內(nèi)，補償原則是哪里出現(xiàn)長度差補償哪里；

6. 為了減少串擾，在空間允許的情況下，其他信號網(wǎng)絡及地離差分線的間距至少20mil(20mil是經(jīng)驗值)，覆地與差分線的距離過近將對差分線的阻抗產(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，當然線寬越寬電源的完整性越好。
普通USB設備差分線信號線寬及線間距與整板信號線寬及線間距一致即可。然而當USB設備工作速度是480 Mbits/s，只做到以上幾點是不夠的，我們還需對差分信號進行阻抗控制，控制差分信號線的阻抗對高速數(shù)字信號的完整性是非常重要的，因為差分阻抗影響差分信號的眼圖、信號帶寬、信號抖動和信號線上的干擾電壓。差分線阻抗一般控制在90（±10%）歐姆(具體值參照芯片手冊指導)，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，并且差分線所對應的參考層必須完整，不能被分割，否則會導致差分線阻抗不連續(xù)。若是以圖 2疊層設計四層板，通常設計時差分線采用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計值，最終電路板廠依據(jù)要求的阻抗值并結(jié)合生產(chǎn)的實際情況和板材會對線寬線間距及到參考層的距離做適當?shù)恼{(diào)整。

以上所描述的布線規(guī)則是基于USB2.0設備，在USB布線過程中把握差分線路最短、緊耦合、等長、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設備運行基本沒問題。

ID:85941 · 發(fā)表于 2015-8-13 16:04

好資料，謝謝分享

ID:38631 · 發(fā)表于 2015-9-6 17:32

好東西，謝謝樓主分享。

ID:90140 · 發(fā)表于 2015-9-15 09:34

謝謝樓主分享！！

ID:89280 · 發(fā)表于 2015-9-22 10:29

好資料

ID:92421 · 發(fā)表于 2015-10-14 11:34

謝謝分享!!!!

ID:94415 · 發(fā)表于 2015-11-2 16:03

樓主這是良心貼，以前走板基本上都沒有注意差分看來以后要注意了

ID:108888 · 發(fā)表于 2016-3-26 16:54

現(xiàn)在正在板子想用USB接口供電，樓主寫得很好，學習了~

ID:111337 · 發(fā)表于 2016-4-1 16:58

好資料

ID:157200 · 發(fā)表于 2016-12-23 20:46

講的真詳細受教了

ID:159589 · 發(fā)表于 2017-1-3 13:46

資料呢

ID:153199 · 發(fā)表于 2017-2-3 11:14

不錯的分享，值得珍藏

ID:153199 · 發(fā)表于 2017-2-13 11:22

不錯的文件，值得收藏

ID:165048 · 發(fā)表于 2017-2-17 10:09

真正的干貨，謝謝

ID:138194 · 發(fā)表于 2017-3-19 22:08

第一次覺得長知識了

ID:183131 · 發(fā)表于 2017-3-24 18:42

awdgrdgsdzrgfszfesdf

ID:279863 · 發(fā)表于 2018-1-26 10:30

良心匠作，謝謝分享

ID:416395 · 發(fā)表于 2019-1-4 21:21

厲害~~

ID:416395 · 發(fā)表于 2019-1-4 21:22

帖子很好~~

ID:430107 · 發(fā)表于 2020-12-22 13:22

前來學習經(jīng)驗

ID:636987 · 發(fā)表于 2020-12-28 22:18

圖文并茂，非常感謝

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