USB硬件设计技术基础指南V1.1.pdf

USB硬硬件件设设计计技技术术基基础础指指南南V1.1

USB硬件设计技术基础指南

⽬录

1、概述(3)

2、USB2.0硬件设计规范指导(3)

2.1USB接⼝定义(3)

2.2USB原理图设计指导(4)

2.3USB布局和⾛线设计(5)

2.3.1布局设计(6)

2.3.2布线设计(6)

3、TestValidation(10)

3.1USB眼图试(10)

3.1.1设备需求(10)

3.1.2USB眼图试过程(11)

4、USB布线布局失效分析案例(12)

4.1原理图(12)

4.2PCB布局以及PCB布线(13)

5、USBCable设计(16)

5.1USBcable内部结构参考(16)

5.2USBcable的制作标准参考(16)

5.3USB2.0cable制作检查表及相关参数介绍(17)

6、USB3.0展望(19)

6.1USB3.0硬件设计注意事项(20)

7、USBTG简介(20)

7.1USBTG概述(20)

7.2USBTG接⼝定义(22)

7.3USBTG设计规范(22)

8、USB2.0设计Checklist(22)

9、参考⽂献(22)

1、概述

通⽤串⾏总线，简称USB，是连接计算机系统与外部设备的⼀个串⼝总线标准，也是⼀种输⼊输出接⼝的技术规范，被⼴泛应

⽤于个⼈电脑和

移动设备等娱乐通讯产品中，并迅速扩展⾄数字电视、游戏机，车载影⾳

娱乐系统等其他领域。

USB2.0⽬前⼴泛应⽤于公司的各个机型之中，其中不仅仅包括⼀些外置的USB端⼝应⽤，⽽且⼀些模块的通讯接⼝也⼴泛采

⽤USB2.0的⽅

式，例如：3G，Wifi等。车机的前置⾯板上也有连接MP3，ipod，⼿机等

移动设备的USB接⼝。所以USB2.0设计的好坏直接影响到产品的各个性

能，直接关系到产品的质量和产品的可持续性研发。

本⽂分别就⽬前常⽤的USB2.0的硬件设计，PCB布局以及⾛线，EMC，试验证等⽅⾯进⼊深⼊的讨论，把⽐较有效的电路

和PCB布局规则，

EMC改进经验融⼊进去，以便指导我公司产品前期的研发和⽣产以及后

期的产品验证，提⾼⼯作效率，降低⽣产成本，使我公司的研发流程进⼀

步规范。另外，关于USBTG的相关设计指导、USBcable的规范化设

计，USB3.0的前期指引都融⼊到本⽂当中。

2、USB2.0硬件设计规范指导

USB2.0接⼝设计主要包括电源设计、ESD设计、PCB布局和⾛线设计。好的产品设计需要从以上⼏个⽅⾯认真考虑。

2.1USB接⼝定义

USB信号使⽤分别标记为D+和D-的双绞线传输，它们各⾃使⽤半双⼯的差分信号并协同⼯作。下图中的定义VBUS⼀般采⽤

5V供电，范

围4.75V到5.25V之间，D-和D+是⼀组差分信号对，⽤于数据的传输。

图1USB信号定义

2.2USB原理图设计指导

下图中的原理图作为后续的参考设计

1、对5V供电采⽤了限流保护IC，防⽌USB接⼝5V短路对主板造成损

坏；另外，为了降低成本，使⽤可恢复的保险丝也可以。这对我们的

主板通过DQA的短路试或者静电冲击尤为重要。

2、5VBUS处采⽤了⼀颗22UF的钽电容，防⽌USB的插拔造成电流的瞬

间变化造成对主板的冲击

3、主板信号地（GND）和机壳地（CHASSISGND）分离，机壳地主要为

静电放电通道。在对USB接⼝静电放电的时候，可以让电流瞬间从机

壳地（CHASSISGND）流向机器外壳，达到ESD的效果。

4、差分对需要注意对ESD器件的选型，⽬前主要使⽤压敏电阻或者专⽤

的USB静电防护器件IC。

5、共模电感在对EMI要求不是很严格的情况下，可以采⽤0ohm电阻替

代，有时候为了改善眼图的质量，可以调节为10ohm到33ohm之间的

经验值去调试。

图2USB⼩板原理图设计参考

6、USB2.0协议规定，整个USB总线拓扑体系由三个元素组成：主机（Host）、集线

器(Hub)、设备(Device)。简单的说，主机(Host)只能作为主机存在，只能⽤来连

接设备(Device)和集线器(Hub)；设备(Device)只能作为设备存在，只能⽤来连接

主机或集线器；⽽集线器则是既可⽤来连接主机，也可⽤来连接设备，它⽤来连

接主机的端⼝，叫上⾏端⼝（upstreamport），⽤来连接设备的端⼝，叫做下⾏端

⼝（downstreamport）。

如果是USBHST，则在其D