在PCB布局軟件中進(jìn)行差分對(duì)走線(xiàn)是一個(gè)棘手的過(guò)程。幸運(yùn)的是，KiCad有一些工具可以幫助我們完成這個(gè)過(guò)程。在本教程中，我們將帶領(lǐng)您完成計(jì)算差分阻抗的過(guò)程，并基于此通過(guò)一個(gè)項(xiàng)目創(chuàng)建一對(duì)USB數(shù)據(jù)線(xiàn)。

先做一些研究

在對(duì)任何高速信號(hào)總線(xiàn)或差分對(duì)走線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)之前，最好對(duì)這些信號(hào)的要求做一些研究。

以USB2.0高速總線(xiàn)為例，我們可以先下載USB2.0規(guī)范作為參考。這個(gè)規(guī)范的內(nèi)容非常多，所以?xún)H作參考，同時(shí)閱讀其它一些易于迅速理解的文檔。比如下面一些文章可以幫助你理解如何對(duì)USB2.0高速數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)：

https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/an0046-efm32-usb-hardware-design-guidelines.pdf

https://www.ti.com/lit/an/slla414/slla414.pdf？ts=1605978923732&ref_url=https://www.google.com/

https://octavosystems.com/app_notes/osd335x-design-tutorial/osd335x-lesson-2-minimal-linux-boot/osd335x-lesson-2-usb-circuitry/

此外，這里有一些工程師關(guān)于做USB數(shù)據(jù)線(xiàn)走線(xiàn)的不錯(cuò)的討論：

https://electronics.stackexchange.com/questions/325721/do-usb-data-wires-d-d-have-90-ohm-differential-impedance-and-single-ended-45

https://electronics.stackexchange.com/questions/41851/how-critical-is-the-layout-of-usb-data-lines-how-does-my-layout-look

https://electronics.stackexchange.com/questions/311310/understanding-usb-differential-and-single-ended-impedance-requirements

https://electronics.stackexchange.com/questions/446692/routing-long-usb-2-0-high-speed-traces-microstrip-or-stripline

通過(guò)這些文章的閱讀，我們可以確定一些要求：

數(shù)據(jù)線(xiàn)之間的差分阻抗應(yīng)為90 Ω +/- 15%。

每條數(shù)據(jù)線(xiàn)的單端阻抗（相對(duì)于GND）應(yīng)為45 Ω +/- 15。

數(shù)據(jù)線(xiàn)總長(zhǎng)度差不大于0.150英寸（3.81 mm）。換句話(huà)說(shuō)，盡量保持D+和D-的長(zhǎng)度不變。

數(shù)據(jù)線(xiàn)應(yīng)盡可能在不間斷的接地面上布線(xiàn)。

在可能的地方避免做90°直角走線(xiàn)（包括過(guò)孔）

避免在走線(xiàn)上留下不連接任何地方的分叉

確定PCB的特性

去你想要制板的PCB制造商的網(wǎng)站，找到你計(jì)劃生產(chǎn)的電路板的特性說(shuō)明。比如下面是來(lái)自一些快板廠的網(wǎng)站上的典型參數(shù)：

1盎司銅（走線(xiàn)為1.4 mil或0.036 mm厚）

1.6mm的板厚

FR4材料

2層板

6 mil （0.1524 mm）最小走線(xiàn)寬度

6 mil （0.1524 mm）最小走線(xiàn)間距

注意，這是一個(gè)2層板！ 在2層1.6毫米厚的板上布線(xiàn)差分對(duì)通常是相當(dāng)困難的，因?yàn)閿?shù)據(jù)線(xiàn)需要很寬才能達(dá)到所需的阻抗。使用更薄的板（例如銅層之間0.8毫米厚的介質(zhì)材料），可以使用更窄的走線(xiàn)用于差分對(duì)信號(hào)。通常，你會(huì)發(fā)現(xiàn)4層以上的PCB板可以在銅層之間提供較薄的介電材料（如FR4）。

KiCad中的Net Name命名

在創(chuàng)建原理圖時(shí)，必須使用以下后綴之一來(lái)命名差分對(duì)信號(hào)的Net Name：

+/-（例如D+和D-）

_P/_N（例如D_P和D_N）

KiCad在PCB布線(xiàn)使用差分對(duì)走線(xiàn)工具時(shí)會(huì)自動(dòng)查找這些后綴對(duì)。

使用KiCad阻抗計(jì)算器

KiCad在項(xiàng)目管理器面板中有一個(gè)內(nèi)置的阻抗計(jì)算器，在項(xiàng)目管理器面板中，選擇：工具》計(jì)算器工具，選擇“傳輸線(xiàn)路”選項(xiàng)。

傳輸線(xiàn)計(jì)算器選項(xiàng)卡為計(jì)算阻抗提供了幾個(gè)選項(xiàng)。我們想為差分對(duì)使用左側(cè)的“耦合微帶線(xiàn)”選項(xiàng)。開(kāi)始填寫(xiě)基板參數(shù)部分。

注意，你可以點(diǎn)擊“…按鈕的一些參數(shù)得到彈出窗口選擇您的材料。對(duì)于這些，我們使用銅作為導(dǎo)體，F(xiàn)R4作為介質(zhì)材料。

Er（介電常數(shù)）：4.5

TanD（介電損耗系數(shù)）： 0.02

Rho（導(dǎo)體的特性電阻）：1.72e-08

H（走線(xiàn)距離底部接地平面的距離）：1.6 mm（板厚）

H_t（走線(xiàn)和頂部地平面之間的距離）：10000毫米（我們使用最外層進(jìn)行查分對(duì)走線(xiàn)，這個(gè)參數(shù)可以設(shè)置比較大甚至近似無(wú)窮，如果你在兩個(gè)地平面之間走線(xiàn)，可以設(shè)置這個(gè)參數(shù)為FR4厚度）

T（銅厚度）：0.03556 mm（對(duì)應(yīng)1盎司銅）

Rough（表面粗糙度）：0（我們的計(jì)算不需要）

mu Rel C（導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率）：1（計(jì)算中不需要）

在物理參數(shù)部分，我們輸入所需的走線(xiàn)設(shè)置。我們?cè)陂_(kāi)始的時(shí)候一般都會(huì)設(shè)置差分對(duì)兩線(xiàn)之間的距離盡可能小，這樣也會(huì)讓走線(xiàn)更窄，后面會(huì)根據(jù)需要修改走線(xiàn)的寬度（W），直到達(dá)到所需的差分阻抗。注意，走線(xiàn)的長(zhǎng)度（L）并不重要。

開(kāi)始的差分線(xiàn)之間的間距為0.1524 mm （一些快板廠需要的最小值），并調(diào)整走線(xiàn)寬度（W），直到你得到一個(gè)Zodd約45 Ω。注意，Zdiff（差分阻抗）等于2 * Zodd，因此Zodd為45 Ω給出了Zdiff為90 Ω。按下“分析”按鈕來(lái)計(jì)算電氣參數(shù)。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，0.77毫米的走線(xiàn)寬度可以讓差分阻抗非常接近90 Ω。

PCB板的設(shè)置

打開(kāi)PCB布局工具（pcbnew），進(jìn)入文件》板設(shè)置。確保您的設(shè)計(jì)規(guī)則》約束符合您的制造商可以生產(chǎn)的。然后，前往項(xiàng)目》網(wǎng)絡(luò)類(lèi)。

用您的差分對(duì)名稱(chēng)添加一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)（我給我的名稱(chēng)為“USB Data”）。將間隙設(shè)置為制造商的最小值，并將走線(xiàn)寬度（單根走線(xiàn)）設(shè)置為與默認(rèn)類(lèi)的寬度相同。改變DP寬度為我們計(jì)算的線(xiàn)寬（0.77 mm），改變DP間隙為我們計(jì)算的間距（0.1524 mm）。

在右下角，高亮兩個(gè)差分對(duì)網(wǎng)名。在分配網(wǎng)絡(luò)類(lèi)，選擇您的差分對(duì)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)名稱(chēng)（在此為“USB Data”），并單擊分配到選定的網(wǎng)?，F(xiàn)在，你的差分對(duì)線(xiàn)將遵循我們剛剛創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。

差分對(duì)走線(xiàn)

點(diǎn)擊走線(xiàn)工具（或按“x”鍵）進(jìn)入走線(xiàn)選擇模式。在本例中，由于封裝的焊盤(pán)非常小，我們需要在使用差分對(duì)工具之前先離開(kāi)焊盤(pán)。點(diǎn)擊差分對(duì)線(xiàn)中的其中一個(gè)。

您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)（如果DP寬度很大，就像這個(gè)2層板的情況一樣），KiCad不希望對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行走線(xiàn)。所以，在走線(xiàn)工具仍然激活的情況下，右鍵單擊》選擇通過(guò)/走線(xiàn)寬度》使用自定義值…

再次左鍵單擊以開(kāi)始走線(xiàn)跟蹤。盡量從焊盤(pán)均勻地扇形離開(kāi)，避免90°彎曲。

單擊“走線(xiàn)》差分對(duì)走線(xiàn)”。單擊其中一個(gè)走線(xiàn)，工具將自動(dòng)開(kāi)始使用指定的參數(shù)來(lái)完成這兩個(gè)走線(xiàn)。

如果你的走線(xiàn)距離太遠(yuǎn)，你應(yīng)該將你的“扇形”軌跡移近一點(diǎn)，因?yàn)槟阈枰罘謱?duì)盡可能保持準(zhǔn)確的分離距離。您還可以讓差分對(duì)開(kāi)始向另一個(gè)方向移動(dòng)，以允許工具匹配差分對(duì)線(xiàn)之間的間距。

繼續(xù)在元件之間進(jìn)行走線(xiàn)。注意，如果你需要在某些地方停下來(lái)（比如，上拉/下拉電阻），你應(yīng)該盡量通過(guò)這些焊盤(pán)，避免分叉。

走線(xiàn)應(yīng)盡可能地直，避免不必要的轉(zhuǎn)彎。有時(shí)候，你需要走線(xiàn)到板的外部邊緣的連接器，所以不得不使用45°拐彎來(lái)逐漸彎曲。

同樣，如果差分對(duì)的寬度相對(duì)于終端元器件的焊盤(pán)過(guò)大，可以使用具有自定義寬度的單走線(xiàn)，將導(dǎo)線(xiàn)引入到焊盤(pán)上，但要盡量避免這種情況。

走線(xiàn)長(zhǎng)度盡可能一致

對(duì)于高速總線(xiàn)，您幾乎總是希望總線(xiàn)上的每一個(gè)數(shù)據(jù)位在同一時(shí)間到達(dá)目的地（或盡可能接近同一時(shí)間）。如果走線(xiàn)的長(zhǎng)度不同，每個(gè)數(shù)據(jù)位到達(dá)的時(shí)間也可能不同！ 這就是所謂的“位偏差”，可能會(huì)對(duì)通信總線(xiàn)造成嚴(yán)重破壞。

通過(guò)選擇工具，選擇差分對(duì)線(xiàn)中的其中一根，查看一下它的總長(zhǎng)度。

點(diǎn)擊另一根線(xiàn)，從第一個(gè)網(wǎng)減去那個(gè)網(wǎng)的長(zhǎng)度。對(duì)我來(lái)說(shuō)，我得到21.1484毫米- 18.0616毫米= 3.0868毫米。這在USB數(shù)據(jù)線(xiàn)的允許偏差3.81 mm范圍內(nèi)，所以我應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。

注意： 我還沒(méi)有測(cè)試這個(gè)板，我沒(méi)有一個(gè)足夠好的示波器來(lái)驗(yàn)證我的走線(xiàn)是否良好。如果您有一個(gè)可測(cè)量480MHz的示波器，可以使用“眼圖”或“眼模式”來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

要修復(fù)不匹配的長(zhǎng)度，可以使用差分對(duì)的走線(xiàn)》調(diào)整偏差工具。啟動(dòng)工具，點(diǎn)擊凈長(zhǎng)度較短的走線(xiàn)段。右鍵單擊并選擇長(zhǎng)度調(diào)優(yōu)設(shè)置…打開(kāi)調(diào)優(yōu)選項(xiàng)。

在大多數(shù)情況下，你會(huì)希望偏差為0。請(qǐng)隨意調(diào)整其他參數(shù)，以滿(mǎn)足您的PCB制造要求。單擊OK。

沿著您希望調(diào)優(yōu)的走線(xiàn)移動(dòng)鼠標(biāo)，當(dāng)工具試圖找出如何增加較短的軌跡的長(zhǎng)度時(shí)，您應(yīng)該會(huì)看到蛇形路徑出現(xiàn)。

注意：在上面的例子中，我假設(shè)我使用0.8毫米厚的PCB與0.003英寸（0.0762毫米）的線(xiàn)間距。這使得我可以在演示中使用更薄的數(shù)據(jù)線(xiàn)，因?yàn)楣ぞ吲c我實(shí)際電路板上的超寬走線(xiàn)不兼容。

你通常想要蛇形部分被添加到更接近不匹配發(fā)生的地方（對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是更接近Hirose連接器，因?yàn)槁窂酵ǔ８笨拷?a target="_blank">USB連接器）。工具還會(huì)告訴你添加的東西是否修復(fù)了偏差。

單擊“接受路徑修改”。

注意，如果您正在與一個(gè)大型的并行總線(xiàn)（超過(guò)2數(shù)據(jù)行），您可以使用“走線(xiàn)”》“調(diào)整單走線(xiàn)長(zhǎng)度”來(lái)添加蛇形走線(xiàn)到較短的走線(xiàn)，使這些走線(xiàn)的最終長(zhǎng)度與最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)線(xiàn)長(zhǎng)度一致。

編輯：jq