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时间:2020-11-10
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1、USB2.0差分走线要求USB通用串行总线(UniversalSerialBus),目前我们所说的USB一般都是指USB2.0,USB2.0接口是目前许多高速数据传输设备的首选接口,从1.1过渡到2.O,作为其重要指标的设备传输速度,从1.5Mbps的低速和12Mbps的全速提高到如今的480Mbps的高速。USB的特点不用多说大家也知道就是:速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便。正是因为其以上优点现在很多视频设备也都采用USB传输。USB2.0设备高速数据传输PCB板设计。对于高速数据传输PCB板设计最主要的就是差分信号线设计,设计好坏关乎整个设备能否正常运
2、行。1、USB2.0接口差分信号线设计USB2.0协议定义由两根差分信号线(D、D-)传输高速数字信号,最高的传输速率为480Mbps。差分信号线上的差分电压为400mV,理想的差分阻抗(Zdiff)为90(1±O.1)Ω。在设计PCB板时,控制差分信号线的差分阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的,因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。由于不同软件测量存在一定偏差,所以一般我们都是要求控制在80Ω至100Ω间。差分线由两根平行绘制在PCB板表层(顶层或底层)发生边缘耦合效应的微带线(Microstrip)组成的,其阻抗由两根微带线
3、的阻抗及其和决定,而微带线的阻抗(Zo)由微带线线宽(W)、微带线走线的铜皮厚度(T)、微带线到最近参考平面的距离(H)以及PCB板材料的介电常数(Er)决定,其计算公式为:Zo={87/sqrt(Er1.41)]}ln[5.98H/(0.8WT)]。影响差分线阻抗的主要参数为微带线阻抗和两根微带线的线间距(S)。当两根微带线的线间距增加时,差分线的耦合效应减弱,差分阻抗增大;线间距减少时,差分线的耦合效应增强,差分阻抗减小。差分线阻抗的计算公式为:Zdiff=2Zo(1-0.48exp(-0.96S/H))。微带线和差分线的计算公式在O.1<2.0以及0.2
4、<3.0的情况下成立。为了获得比较理想的信号质量和传输特性,高速USB2.0设备要求PCB板的叠层数至少为4层,可以选择的叠层方案为:顶层(信号层)、地层、电源层和底层(信号层)。不推荐在中间层走信号线,以免分割地层和电源层的完整性。普通PCB板的板厚为1.6mm,信号层上的差分线到最近参考平面的距离H大约为11mil,走线的铜皮厚度T大约为O.65mil,填充材料一般为FR-4,介电常数Er为4.2。在H、T和Er已确定的条件下,由差分线2D阻抗模型以及微带线和差分线阻抗计算公式可以得到合适的线宽W和线间距S。当W=16mil,S=7mil时,Zdiff=8
5、7Ω。但通过上述公式来推导合适的走线尺寸的计算过程比较复杂,借助PCB阻抗控制设计软件Polar可以很方便的得到合适的结果,由Polar可以得到当W=11mil,S=5mil时,Zdiff=92.2Ω。在绘制USB2.O设备接口差分线时,应注意以下几点要求:1、USB2.O芯片放置在离地层最近的信号层,并尽量靠近USB插座,缩短差分线走线距离。2、差分线上不应加磁珠或者电容等滤波措施,否则会严重影响差分线的阻抗。3、如果USB2.O接口芯片需串联端电阻或者D线接上拉电阻时,务必将这些电阻尽可能的靠近芯片放置。4、将USB2.O差分信号线布在离地层最近的信号层。5、在
6、绘制PCB板上其他信号线之前,应完成USB2.0差分线和其他差分线的布线。6、保持USB2.O差分线下端地层完整性,如果分割差分线下端的地层,会造成差分线阻抗的不连续性,并会增加外部噪声对差分线的影响。7、在USB2.0差分线的布线过程中,应避免在差分线上放置过孔(via),过孔会造成差分线阻抗失调。如果必须要通过放置过孔才能完成差分线的布线,那么应尽量使用小尺寸的过孔,并保持USB2.0差分线在一个信号层上。8、保证差分线的线间距在走线过程中的一致性,使用Cadence绘图时可以用shove保证,但在使用Protel绘图时要特别注意。如果在走线过程中差分线的间距发
7、生改变,会造成差分线阻抗的不连续性。9、在绘制差分线的过程中,使用45°弯角或圆弧弯角来代替90°弯角,并尽量在差分线周围的150mil范围内不要走其他的信号线,特别是边沿比较陡峭的数字信号线更加要注意其走线不能影响USB差分线。10、差分线要尽量等长,如果两根线长度相差较大时,可以绘制蛇行线增加短线长度。2、USB2.0总线接口端电源线和地线设计USB接口有5个端点,分别为:USB电源(VBUS)、D-、D+、信号地(GND)和保护地(SHIELD)。除了D+、D-差分信号设计,USB总线电源、信号地和保护地的设计对USB系统的正常工作同样重要。USB电源线电
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