usb硬件工程師關(guān)注點介紹之USB2.0

本文介紹下USB2.0相關(guān)知識，硬件工程師需要關(guān)注的點。

文章內(nèi)容主要來源于USB官方協(xié)議，協(xié)議本身內(nèi)容太多，本文主要講硬件工程師需要了解的重點做了一個匯總并分享出來。

USB線纜

顏色說明

電源VBUS：紅色

D-：白色

D+：綠色

地GND：黑色

線材長度：最長5m（沒看到協(xié)議里有規(guī)定長度，現(xiàn)實中使用最長也只看到5m）。

屏蔽與雙絞說明

如果是用在高速/全速設(shè)備，線纜需要做屏蔽，數(shù)據(jù)線需要雙絞。并且，協(xié)議規(guī)定，數(shù)據(jù)線的線號為28AWG，電源和地線的線號為20AWG-28AWG。線材差分特性阻抗為90Ω±15%。

可能許多同仁知道在PCB設(shè)計中USB差分線要做90Ω阻抗，而忽略在用USB線材也是需要做阻抗的。其實這也很容易想明白，無論是在PCB板，還是線材傳輸USB信號，都需要盡量保證阻抗不變，減少信號反射，保證信號完整性。

雙絞線的特征阻抗與線芯的粗細(xì)，間距，屏蔽層等等都是有關(guān)系的。USB2.0協(xié)議具體定了雙絞線的線號固定為AWG28號，而不像電源和地線的線徑那樣是一個范圍。之所以這樣筆者認(rèn)為是這樣的線材做出來線材的特征阻抗做出來正好是90Ω。

所以，在實際應(yīng)用中，特別是USB線比較長的時候，要注意選擇一些好的線材，要去看線徑粗細(xì)，是否屏蔽等等。某寶上面賣的線材各式各樣，一些便宜的線就是USB里面4根導(dǎo)線接通了而已。

線纜屏蔽如何接GND

屏蔽層接到兩端插頭上，設(shè)計者自己根據(jù)EMI/ESD/EFI的情況來選擇接GND方案。----即線材上面沒有把屏蔽層直接與GND接到一起的，具體選擇線材兩端都接GND還是單端接GND，由設(shè)計者自己來定。

電特性

信號速率

低速：1.5Mb/s

全速：12Mb/s

高速：480Mb/s

這個速率一般人都知道，請繼續(xù)看下面編碼。

編碼方式-NRZI

USB的編碼方式NRZI（非歸零反向編碼），提到這個是為了說明信號的時鐘周期（等效時鐘，并沒有專門的時鐘線）到底是多少，因為這個才是我們硬件工程師關(guān)注的。

NRZI編碼，如下圖，實際的波形如下圖的NRZI，紅色的方框可以看作是信號的一個完整周期。一個完整的周期傳輸了2個bit，上升沿，下降沿各傳輸一個bit。

所以，USB2.0高速模式數(shù)據(jù)bit率是480Mb/s，USB等效時鐘是240Mhz，并不是480Mhz。

信號電壓

高低電平：

發(fā)送端

---全速FS和低速LS輸出的低電平電壓0~0.3V；輸出高電平電壓2.8V~3.6V；

---HS輸出的差分低電平電壓-10~+10mV；輸出差分高電平電壓360~440mV.

接收端：D+ - D- ≥ 300mV

高速模式USB信號接收端眼圖如下：

電源電壓-電流：

高電源口---4.75-5.25V，供流能力大于500mA

低電源口---4.4V-5.25V，供流能力大于100mA

詳細(xì)介紹在官方協(xié)議的Page178-Page190頁

關(guān)于USB口的5V電源。對于比較復(fù)雜的產(chǎn)品，USB口只是其中的一個功能，建議在USB口加上限流電路。原因是產(chǎn)品的5V電源很有可能不僅僅是用在USB接口，產(chǎn)品內(nèi)部其它芯片也可能會用，如果沒有加限流，在異常情況下，如果接入的USB設(shè)備本身是有問題，比如電源和GND短路，這樣就導(dǎo)致整個5V電源短路，造成整機用到5V的地方都不正常。

下面為一個常見的USB限流芯片的限流電路SGM2551A。

模式識別

在USB設(shè)備連接時，USB系統(tǒng)能自動檢測到這個連接，并識別出其采用的數(shù)據(jù)傳輸速率。USB采用在D+或D-線上增加上拉電阻的方法來識別低速和全速設(shè)備。

如下圖，D-通過1.5K電阻上拉為低速設(shè)備，D+通過1.5K電阻上拉為全速設(shè)備。

那么USB是如何識別為高速設(shè)備的呢？

高速設(shè)備是以一個全速設(shè)備的身份出現(xiàn)的，即和全速設(shè)備一樣，高速設(shè)備也在D+端有一個1.5K的上拉電阻。USB2.0的HUB把設(shè)備當(dāng)成一個全速設(shè)備，然后進(jìn)行一系列的握手信號來確認(rèn)雙方的身份。詳細(xì)見下面分享的附件。

USB防護(hù)

一般來說，usb是要加tvs管做防護(hù)的，關(guān)于USB防護(hù)器件的選擇，筆者認(rèn)為數(shù)據(jù)線上面的TVS管有兩點需要注意。

---數(shù)據(jù)線上TVS管的引入電容要盡量小，1pF以下為宜。

---數(shù)據(jù)線上TVS管要選用在5V上的。曾經(jīng)一直沒明白為什么是5V，不是3.3V，看信號電壓沒超過5V了。

這里有一個原因：協(xié)議（page124）里面明確規(guī)定了，在數(shù)據(jù)線與5V電源短路的時候，是不能燒壞的，所以說明數(shù)據(jù)線上面5V電壓是可以抗住的。如果我們選用Vbr大于3.3V而小于5V的TVS管子，那么在5V短路的時候，TVS管子是會燒掉的。