USB2.0 PCB布線關(guān)鍵與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

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(jià)、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(diǎn)使USB設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上以USB2.0為接口的產(chǎn)品居多，但很多硬件新手在USB應(yīng)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(wèn)題，比如通訊不穩(wěn)定或是無(wú)法通訊，檢查原理圖和焊接都無(wú)問(wèn)題，或許這個(gè)時(shí)候就需懷疑PCB設(shè)計(jì)不合理。繪制滿足USB2.0數(shù)據(jù)傳輸要求的PCB對(duì)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(hào)線（D+、D-）傳輸數(shù)字信號(hào)，若要USB設(shè)備工作穩(wěn)定差分信號(hào)線就必須嚴(yán)格按照差分信號(hào)的規(guī)則來(lái)布局布線。根據(jù)筆者多年USB相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)以下注意要點(diǎn)：
1. 在元件布局時(shí)，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(duì)差分線上盡量不要超過(guò)兩對(duì)過(guò)孔（過(guò)孔會(huì)增加線路的寄生電感，從而影響線路的信號(hào)完整性），且需對(duì)稱放置（√為合理的方式，×為不合理方式）；

3. 對(duì)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(cè)試點(diǎn)，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(guò)孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長(zhǎng)易不匹配，而線長(zhǎng)一旦不匹配，時(shí)序會(huì)發(fā)生偏移，還會(huì)引入共模干擾，降低信號(hào)質(zhì)量。所以，相應(yīng)的要對(duì)差分對(duì)不匹配的情況作出補(bǔ)償，使其線長(zhǎng)匹配，長(zhǎng)度差通常控制在5mil以內(nèi)，補(bǔ)償原則是哪里出現(xiàn)長(zhǎng)度差補(bǔ)償哪里；

6. 為了減少串?dāng)_，在空間允許的情況下，其他信號(hào)網(wǎng)絡(luò)及地離差分線的間距至少20mil(20mil是經(jīng)驗(yàn)值)，覆地與差分線的距離過(guò)近將對(duì)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(dāng)然線寬越寬電源的完整性越好。
普通USB設(shè)備差分線信號(hào)線寬及線間距與整板信號(hào)線寬及線間距一致即可。然而當(dāng)USB設(shè)備工作速度是480 Mbits/s，只做到以上幾點(diǎn)是不夠的，我們還需對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行阻抗控制，控制差分信號(hào)線的阻抗對(duì)高速數(shù)字信號(hào)的完整性是非常重要的，因?yàn)椴罘肿杩褂绊懖罘中盘?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。差分線阻抗一般控制在90（±10%）歐姆(具體值參照芯片手冊(cè)指導(dǎo))，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(duì)應(yīng)的參考層必須完整，不能被分割，否則會(huì)導(dǎo)致差分線阻抗不連續(xù)。若是以圖 2疊層設(shè)計(jì)四層板，通常設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)際情況和板材會(huì)對(duì)線寬線間距及到參考層的距離做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

以上所描述的布線規(guī)則是基于USB2.0設(shè)備，在USB布線過(guò)程中把握差分線路最短、緊耦合、等長(zhǎng)、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(shè)備運(yùn)行基本沒(méi)問(wèn)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(méi)有注意差分看來(lái)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(xué)習(xí)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(xì) 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(cuò)的分享，值得珍藏

ID:153199 · 發(fā)表于 2017-2-13 11:22

不錯(cuò)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(jué)得長(zhǎng)知識(shí)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(lái)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)

ID:636987 · 發(fā)表于 2020-12-28 22:18

圖文并茂，非常感謝

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USB2.0 PCB布線關(guān)鍵與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

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