USB 通用串行總線(Universal Serial Bus)，目前我們所說的 USB 一般都是指 USB2.0，USB2．0 接口是目前許多高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的首選接口，從 1.1 過渡到 2.O，作為其重要指標(biāo)的設(shè)備傳輸速度，從 1.5 Mbps 的低速和 12 Mbps 的全速，提高到如今的 480 Mbps 的高速。USB 的特點(diǎn)不用多說大家也知道就是：速度快、功耗低、支持即插即用、使用安裝方便。正是因?yàn)槠湟陨蟽?yōu)點(diǎn)現(xiàn)在很多視頻設(shè)備也都采用 USB 傳輸。

對(duì)于高速數(shù)據(jù)傳輸 PCB 板設(shè)計(jì)最主要的就是差分信號(hào)線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好壞關(guān)乎整個(gè)設(shè)備能否正常運(yùn)行。

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USB2．0 接口差分信號(hào)線設(shè)計(jì)

USB2．0 協(xié)議定義由兩根差分信號(hào)線(D、D-)傳輸高速數(shù)字信號(hào)，最高的傳輸速率為 480 Mbps。差分信號(hào)線上的差分電壓為 400 mV，理想的差分阻抗(Zdiff)為 90(1±O．1)Ω。在設(shè)計(jì) PCB 板時(shí)，控制差分信號(hào)線的差分阻抗對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的完整性是非常重要的，因?yàn)椴罘?阻抗影響差分信號(hào)的眼圖、信號(hào)帶寬、信號(hào)抖動(dòng)和信號(hào)線上的干擾電壓。由于不同軟件測(cè)量存在一定偏差，所以一般我們都是要求控制在 80Ω 至 100Ω 間。

差分線由兩根平行繪制在PCB板表層(頂層或底層)發(fā)生邊緣耦合效應(yīng)的微帶線(Microstrip)組成的，其阻抗由兩根微帶線的阻抗及其和決定，而微帶線的阻抗(Zo)由微帶線線寬(W)、微帶線走線的銅皮厚度(T)、微帶線到最近參考平面的距離(H)以及PCB板材料的介電常數(shù)(Er)決定，其計(jì)算公式為：Zo={87/sqrt(Er 1．41)]}ln[5．98H/(0．8W T)]。影響差分線阻抗的主要參數(shù)為微帶線阻抗和兩根微帶線的線間距(S)。當(dāng)兩根微帶線的線間距增加時(shí)，差分線的耦合效應(yīng)減弱，差分阻抗增大；線間距減少時(shí)，差分線的耦合效應(yīng)增強(qiáng)，差分阻抗減小。差分線阻抗的計(jì)算公式為：

Zdiff=2Zo（1-0.48exp(-0.96S/H))。微帶線和差分線的計(jì)算公式在O．1

?在繪制 USB2．O 設(shè)備接口差分線時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：

①在元件布局時(shí)，應(yīng)將USB2．O 芯片放置在離地層最近的信號(hào)層，并盡量靠近 USB 插座，縮短差分 線走線距離。

②差分線上不應(yīng)加磁珠或者電容等濾波措施，否則會(huì)嚴(yán)重影響差分線的阻抗。

③如果 USB2．O 接口芯片需串聯(lián)端電阻或者 D 線接上拉電阻時(shí)，務(wù)必將這些電阻盡可能的靠近芯片放置。

④將 USB2．O 差分信號(hào)線布在離地層最近的信號(hào)層。

⑤在繪制 PCB 板上其他信號(hào)線之前，應(yīng)完成 USB2．0 差分線和其他差分線的布線。

⑥保持 USB2．O 差分線下端地層完整性，如果分割差分線下端的地層，會(huì)造成差分線阻抗的不連續(xù)性，并會(huì)增加外部噪聲對(duì)差分線的影響。

⑦在 USB2．0 差分線的布線過程中，應(yīng)避免在差分線上放置過孔(via)，過孔會(huì)造成差分線阻抗失調(diào)。如果必須要通過放置過孔才能完成差 分線的布線，那么應(yīng)盡量使用小尺寸的過孔，并保持 USB2．0 差分線在一個(gè)信號(hào)層上。

⑧保證差分線的線間距在走線過程中的一致性，使用 Cadence 繪圖時(shí)可以用shove 保證，但在使用 Protel繪圖時(shí)要特別注意。如果在 走線過程中差分線的間距發(fā)生改變，會(huì)造成差分線阻抗的不連續(xù)性。

⑨在繪制差分線的 過程中，使用 45°彎角或圓弧彎角來代替 90°彎角，并盡量在差分線周圍的 150 mil 范圍內(nèi)不要走其他的信號(hào)線，特別是邊沿比較陡峭的數(shù)字信號(hào)線更加要注意其走線不能影響 USB 差分線。

⑩差分線要盡量等長(zhǎng)，如果兩根線長(zhǎng)度相差較大時(shí)，可以繪制蛇行線增加短線長(zhǎng)度。

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USB2.0 總線接口端電源線和地線設(shè)計(jì)

USB 接口有 5 個(gè)端點(diǎn)，分別為：USB 電源(VBUS)、D-、D 、信號(hào)地(GND)和保護(hù)地(SHIELD)。上面已經(jīng)介紹過如何設(shè)計(jì) D 、D-差分信號(hào)了，正確設(shè)計(jì) USB 總線電源、信號(hào)地和保護(hù)地對(duì)USB 系統(tǒng)的正常工作也是同樣重要的。

USB 電源線電壓為 5 V，提供的最大電流為500mA，應(yīng)將電源線布置在靠近電源層的信號(hào)層上，而不是布置在與 USB 差分線所在的相同層上，線寬應(yīng)在 30mil 以上，以減少它對(duì)差分信號(hào)線的干擾。現(xiàn)在很多廠家的 USB 從控制芯片工作電壓為 3．3 V，當(dāng)其工作在總線供電模式時(shí)，需要 3．3～5 V 的電源轉(zhuǎn)換芯片，電源轉(zhuǎn)換芯片的輸出端應(yīng)盡量靠近 USB 芯片的電壓輸入端，并且電源轉(zhuǎn)換芯片的輸入和輸出端都應(yīng)加大容量電容并聯(lián)小容量電容進(jìn)行濾波。當(dāng) USB 從控制芯片工作在自供電的模式時(shí)，USB 電源線可以串聯(lián)一個(gè)大電阻接到地。

USB 接口的信號(hào)地應(yīng)與 PCB 板上的信號(hào)地接觸良好，保護(hù)地可以放置在 PCB板的任何一層上，它和信號(hào)地分割開，兩個(gè)地之間可以用一個(gè)大電阻并聯(lián)一個(gè)耐壓值較高的電容，如圖 2 所示。

保護(hù)地和信號(hào)地之間的間距不應(yīng)小于 25mil， 以減少兩個(gè)地之間的邊緣耦合作用。保護(hù)地不要大面積覆銅，一根 100mli 寬度的銅箔線就已能滿足保護(hù)地的功能需要了。

?在繪制 USB 電源線、信號(hào)地和保護(hù)地時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①USB 插座的 1、2、3、4 腳應(yīng)在信號(hào)地的包圍范圍內(nèi)，而不是在保護(hù)地的包圍范圍內(nèi)。

②USB 差分信號(hào)線和其他信號(hào)線在走線的時(shí)候不應(yīng)與保護(hù)地層出現(xiàn)交疊。

③電源層和信號(hào)地層在覆銅的時(shí)候要注意不應(yīng)與保護(hù)地層出現(xiàn)交疊。

④電源層要比信號(hào)地層內(nèi)縮20D，D 為電源層與信號(hào)地層之間的距離。

⑤如果差分線所在層的信號(hào)地需要大面積覆銅，注意信號(hào)地與差分線之間要保證 35 mil 以上的間距，以免覆銅后降低差分線的阻抗。

⑥在其他信號(hào)層可以放置一些具有 信號(hào)地屬性的過孔，增加信號(hào)地的連接性，縮短信號(hào)電流回流路徑。

⑦在 USB 總線的 電源線和 PCB 板的電源線上，可以加磁珠增加電源的抗干擾能力。

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USB2．0 其他信號(hào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

USB2．O 提供高達(dá) 480 Mbps 的傳輸速率，因此芯片需要外接一個(gè)較高頻率的晶振，例如 Cypress 公司的 CY7C68013 需要外接 1 個(gè) 24 MHz 的晶振。晶振應(yīng)盡量靠近 USB 芯片的時(shí)鐘輸入腳，時(shí)鐘線不能跨越 USB2．0 的差分線，晶振下不要布置任何信號(hào)線，并且在時(shí)鐘線周圍應(yīng)覆有完整的信號(hào)地，以降低時(shí)鐘線對(duì)其他信號(hào)線的干擾，特別是對(duì)差分線的干擾。在繪制USB 芯片與其他芯片相連的數(shù)據(jù)線時(shí)，應(yīng)保證線間距不小于 8mil。

按 EMC、EMI 原理和信號(hào)完整性要求設(shè)計(jì)的 USB2．0 設(shè)備 PCB 板，傳輸速率可以達(dá)到 300 Mbps 以上。高速數(shù)字信號(hào)傳輸 PCB 板設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的領(lǐng)域，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求比較高，設(shè)計(jì)周期也比較長(zhǎng)。