USB2.0 PCB布線關鍵與經驗教訓

ID:85681 · 發表于 2015-7-15 01:35

USB是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價、方便使用的可熱拔插的串行接口。由于數據傳輸快，接口方便，支持熱插拔等優點使USB設備得到廣泛應用。目前，市場上以USB2.0為接口的產品居多，但很多硬件新手在USB應用中遇到很多困擾，往往PCB裝配完之后USB接口出現各種問題，比如通訊不穩定或是無法通訊，檢查原理圖和焊接都無問題，或許這個時候就需懷疑PCB設計不合理。繪制滿足USB2.0數據傳輸要求的PCB對產品的性能及可靠性有著極為重要的作用。
USB協議定義由兩根差分信號線（D+、D-）傳輸數字信號，若要USB設備工作穩定差分信號線就必須嚴格按照差分信號的規則來布局布線。根據筆者多年USB相關產品設計與調試經驗，總結以下注意要點：
1. 在元件布局時，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. 優先繪制差分線，一對差分線上盡量不要超過兩對過孔（過孔會增加線路的寄生電感，從而影響線路的信號完整性），且需對稱放置（√為合理的方式，×為不合理方式）；

3. 對稱平行走線，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，測試點，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、過孔、以及走線空間等因素存在使得差分線長易不匹配，而線長一旦不匹配，時序會發生偏移，還會引入共模干擾，降低信號質量。所以，相應的要對差分對不匹配的情況作出補償，使其線長匹配，長度差通常控制在5mil以內，補償原則是哪里出現長度差補償哪里；

6. 為了減少串擾，在空間允許的情況下，其他信號網絡及地離差分線的間距至少20mil(20mil是經驗值)，覆地與差分線的距離過近將對差分線的阻抗產生影響；

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，當然線寬越寬電源的完整性越好。
普通USB設備差分線信號線寬及線間距與整板信號線寬及線間距一致即可。然而當USB設備工作速度是480 Mbits/s，只做到以上幾點是不夠的，我們還需對差分信號進行阻抗控制，控制差分信號線的阻抗對高速數字信號的完整性是非常重要的，因為差分阻抗影響差分信號的眼圖、信號帶寬、信號抖動和信號線上的干擾電壓。差分線阻抗一般控制在90（±10%）歐姆(具體值參照芯片手冊指導)，差分線阻抗與線寬W1、W2、T1成反比，與介電常數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，并且差分線所對應的參考層必須完整，不能被分割，否則會導致差分線阻抗不連續。若是以圖 2疊層設計四層板，通常設計時差分線采用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計值，最終電路板廠依據要求的阻抗值并結合生產的實際情況和板材會對線寬線間距及到參考層的距離做適當的調整。

以上所描述的布線規則是基于USB2.0設備，在USB布線過程中把握差分線路最短、緊耦合、等長、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設備運行基本沒問題。

ID:85941 · 發表于 2015-8-13 16:04

好資料，謝謝分享

ID:38631 · 發表于 2015-9-6 17:32

好東西，謝謝樓主分享。

ID:90140 · 發表于 2015-9-15 09:34

謝謝樓主分享！！

ID:89280 · 發表于 2015-9-22 10:29

好資料

ID:92421 · 發表于 2015-10-14 11:34

謝謝分享!!!!

ID:94415 · 發表于 2015-11-2 16:03

樓主這是良心貼，以前走板基本上都沒有注意差分看來以后要注意了

ID:108888 · 發表于 2016-3-26 16:54

現在正在板子想用USB接口供電，樓主寫得很好，學習了~

ID:111337 · 發表于 2016-4-1 16:58

好資料

ID:157200 · 發表于 2016-12-23 20:46

講的真詳細受教了

ID:159589 · 發表于 2017-1-3 13:46

資料呢

ID:153199 · 發表于 2017-2-3 11:14

不錯的分享，值得珍藏

ID:153199 · 發表于 2017-2-13 11:22

不錯的文件，值得收藏

ID:165048 · 發表于 2017-2-17 10:09

真正的干貨，謝謝

ID:138194 · 發表于 2017-3-19 22:08

第一次覺得長知識了

ID:183131 · 發表于 2017-3-24 18:42

awdgrdgsdzrgfszfesdf

ID:279863 · 發表于 2018-1-26 10:30

良心匠作，謝謝分享

ID:416395 · 發表于 2019-1-4 21:21

厲害~~

ID:416395 · 發表于 2019-1-4 21:22

帖子很好~~

ID:430107 · 發表于 2020-12-22 13:22

前來學習經驗

ID:636987 · 發表于 2020-12-28 22:18

圖文并茂，非常感謝

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