1 概述

USB接口支持3種常用數(shù)據(jù)信號(hào)速率，1.5Mbps的低速速率，主要用于鍵盤、鼠標(biāo)等。480Mbps的高速速率，用于USB2.0設(shè)備，例如U盤、光驅(qū)等。5Gbps的超高速速率，是USB2.0的10倍，可應(yīng)用于外接硬碟、隨身碟或藍(lán)光燒錄機(jī)等儲(chǔ)存裝置，大幅縮短資料傳輸時(shí)間。

表1 USB信號(hào)速率

2 PCB要求

經(jīng)技術(shù)調(diào)研分析，USB板內(nèi)信號(hào)長度要求如下：

表2 USB板內(nèi)走線長度

3線纜要求

3.1 USB線纜長度要求

表3 USB線纜長度

3.2USB線纜材質(zhì)要求

表4 USB線纜材質(zhì)要求

下面具體分析USB走線長度對(duì)信號(hào)的影響。

1 USB1.0分析

1.1USB協(xié)議對(duì)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(jié)對(duì)Low Speed模式Cable要求定義如下：

圖1 USB1.0低速模式下Cable線延時(shí)要求

圖2 USB1.0低速模式下Cable線特性

協(xié)議規(guī)定，一個(gè)低速USB設(shè)備在插口端必須要有一個(gè)帶有串行A口連接器的可控制電纜，其速率為1.5Mb/s，當(dāng)電纜與設(shè)備相連時(shí)，在D+/D-線上必須要有一個(gè)200-450PF的單終端電容器。Cable線的延時(shí)不超過18ns。這是為了確保反射發(fā)生在第一個(gè)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(guī)范表明，USB1.0協(xié)議傳輸時(shí)，也就是低速傳輸，線纜長度不能超過0.3米每納秒*18ns/根號(hào)介電常數(shù)=3.5米；連接線纜長度超過這些長度，即為數(shù)據(jù)包超時(shí)。延時(shí)太長的話信號(hào)就會(huì)認(rèn)為是一個(gè)超時(shí)的信號(hào)（沒有用的信號(hào)）而被丟掉。

協(xié)議只定義了延遲，沒有直接定義長度。顯然，USB電纜的品質(zhì)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(hào)傳輸速度， 線纜一般材料為PE，介電常數(shù)≈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(tài)下總允許延時(shí)為70ns。因此，在使用長Cable線傳輸?shù)退傩盘?hào)時(shí)，需要增加HUB，協(xié)議規(guī)定一共可以增加5個(gè)HUB，每段HUB可以增加協(xié)議規(guī)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(dǎo)致的反射和Cable線長導(dǎo)致的損耗對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響很小，從眼圖測試結(jié)果來看，符合這個(gè)規(guī)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(xié)議沒有規(guī)定Low Speed模式從Host到Connector時(shí)延，但是規(guī)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(gè)時(shí)延也適用于低速模式。按照FR4材質(zhì)信號(hào)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(xié)議對(duì)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(jié)對(duì)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(xié)議規(guī)定Cable線的Delay必須小于5.2ns/米。

26/5.2=5米，按照第二種計(jì)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(shí)要求

規(guī)范表明，一個(gè)回程，也就是數(shù)據(jù)包從Host發(fā)出，到Host收到響應(yīng)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(shè)備分到192bit times。這會(huì)是總的允許時(shí)間，也就是

USB多級(jí)聯(lián)后也不能超出這個(gè)時(shí)間。

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

致。即HUB級(jí)聯(lián)每段Cable線的最大長度是5米。

2.2 USB2.0眼圖仿真測試

當(dāng)走線長度超過板內(nèi)走線要求18inch。測試結(jié)果Fail，仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合。

圖6USB2.0眼圖測試結(jié)果

圖7a USB2.0源端仿真輸出

圖7b USB2.0接收端仿真眼圖

經(jīng)過HUB后，眼圖測試結(jié)果Pass。說明HUB對(duì)信號(hào)恢復(fù)起到作用。

圖8 USB帶HUB眼圖測試結(jié)果

3USB3.0分析

3.1USB協(xié)議對(duì)3.0模式要求

圖9 USB3.0 Cable要求

由規(guī)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(biāo)

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(guī)范示例

從上述規(guī)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(dāng)瞬態(tài)電流增大時(shí)，電壓會(huì)降到3.67V，達(dá)不到地最低要求。因此3米

長度只是理想狀態(tài)。

3.2USB3.0板內(nèi)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(nèi)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(nèi)部包含4組導(dǎo)線，2組負(fù)載線，2組信號(hào)線，如圖

圖15 USB2.0 Cable要求

圖16 USB2.0 Cable剖面圖

正規(guī)USB2.0數(shù)據(jù)線組成從外往里數(shù)分別為

?PVC絕緣材料；

?外屏蔽層≥65%的鍍錫銅編織帶；

?內(nèi)屏蔽層：鋁箔；

?28AWG規(guī)格的鍍錫銅接地線；

?USB供電與D+/D-

USB電源線（VUSB/GND）和數(shù)據(jù)線（D+/D-）規(guī)格和材質(zhì)要求：

?電源線要求滿足28-20AWG線規(guī)，材質(zhì)必須為鍍錫銅線；

?數(shù)據(jù)線（D+/D-）要求28AWG線規(guī)，材質(zhì)為銀白色鍍錫銅線，不要使用裸銅線，數(shù)據(jù)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(hào)對(duì)，屏蔽差分對(duì)（SDP、 雙絞線或屏蔽雙絞線對(duì)信號(hào)線），電源線和接地線。 UTP傳輸?shù)腢SB2.0信號(hào)，SDP用于傳輸3.0信號(hào)。高速差分信號(hào)需要有屏蔽，以保證信號(hào)完整性和EMI性能。每對(duì)SDP線附上屏蔽地線，通過連接器的GND_DRAIN連接系統(tǒng)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(duì)內(nèi)延時(shí)小于15ps/m;

2.阻抗?jié)M足90±10%；

3.2.5GHz RL<7.5dB,近端串?dāng)_<-27dB，差模轉(zhuǎn)共模小于-20dB；

總結(jié)：

USB2.0及之前的規(guī)格要求Port供電500mA

USB3.0要求一個(gè)Port可供電900mA

測試波形電壓幅度分別如下：

5調(diào)試建議

1.USB Power：主要影響USB信號(hào)的集中性，如果USB信號(hào)過于發(fā)散，就需要測試USB Power的noise;

2.Register：USB信號(hào)還可以通過寄存器調(diào)節(jié)振幅和Slew Rate（信號(hào)上升下降的速度）;

3.料件：Cable長度及材質(zhì)、Connector材質(zhì)、Common Choke S參數(shù)等；

4.Layout：阻抗，分叉線，Layout走線長度，路徑上的干擾源，VIA數(shù)量，等等。

5.信號(hào)增強(qiáng)：HUB、Redriver、Extender。

6案例分享

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

（2）增強(qiáng)后USB口使用正常，測試眼圖得到較好恢復(fù)，如下：

審核編輯：劉清