USB电路硬件设计详解：从版本迭代到实际应用

USB电路硬件设计详解：从版本迭代到实际应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_40535577/article/details/140968831

USB（通用串行总线）是Intel公司联合其他公司开发的一种总线架构，自1996年推出以来，已经经历了多个版本的迭代。从最初的USB 1.0到现在的USB 3.0，传输速率从1.5Mbps提升到了5Gbps。本文将详细介绍USB电路硬件设计的相关知识，包括USB的版本迭代、传输速率、信号线定义、接口类型以及硬件设计要点等内容。

USB：Universal Serial Bus，即通用串行总线，是Intel 公司联合其它公司开发的总线架构。迄今为止，有包括且不限于USB1.0，USB1.1，USB2.0和USB3.0的多达10种迭代版本，因工作接触常用为以上所提四种，所以故事就从他们四位展开吧。
其传输速率分别为1.5Mbps，12Mbps，480Mbps和5Gbps。
高版本兼容低版本，传输速率由短板决定。举例说明：一个USB1.1的鼠标插在一个USB2.0口上依旧可以正常使用，传输速率为12M。
各版本的区别如下表所示：

USB信号线都为差分信号，即通过两根信号线之间的电压差值来表示逻辑“0”和“1”。USB2.0版本及以前版本信号线只有一对差分信号，无法实现全双工通信。USB3.0及以后版本信号线在USB2.0的基础上增加了RX和TX的差分对，因为是在USB2.0的基础上增加的，所以USB3.0依旧可以兼容USB2.0，只不过在传输信号是只使用USB2.0的那一对差分信号罢了。
需要纠正的一点思维误区是：USB只是一种总线的定义名称，并非一种特定的接口，并不是单纯的指电脑，U盘上的USB接口。事实上，USB接口种类很多，包括且不限于Type A，Type B，Type C，micro Type等多种形式，具体可参考如下链接
USB接口类型大全 - USB中文网 (usbzh.com)
USB信号的接口定义也很简单，只需要在上述表中的信号线定义的基础上增加VCC和GND即可。
硬件设计上也是直来直去，没有太多的中间器件。由MCU或者其他主控制器（CPU，DSP，FPGA等）直接产生USB差分信号（主控制器中需集成USB控制器，不是随便的GOIO输出个差分信号就行的），直接引出到USB插座即可。需要注意的几点是：

• 差分信号线PCB注意走等长。
• USB插座部分注意ESD防静电设计，且ESD器件放置离插座越近越好。
• USB差分线阻抗为90欧姆，要根据PCB层数，板厚，铜厚，线距，阻抗值等参数计算差分走线宽度，计算器链接：嘉立创阻抗计算 (jlc.com)

上图为USB2.0简单电路设计方式，因为手边没有MCU、USB和ESD的元件原理图封装，就画了个框加上引脚意思一番，见谅。USB3.0的设计方式类似，只是管脚数量的增加而已，设计方法一样，与USB2.0在设计上存在差异的地方在于：USB3.0要在TX端的差分信号线上增加AC耦合电容，达到滤除直流电压偏置，防止USB通信设备两端直流电平水平不一致影响通信。

还有一点值得注意：USB过流信号设计。为保护USB接口异常而产生的大电流烧毁后级电路或芯片，USB插座在检测到过大的电流时会输出USB_OC信号（OC就是Over Current，过流的意思）给MCU，一般为高电平，具体可以看USB插座的手册，MCU检测到过流信号时可采取对应措施保护电路系统。如果MCU的过流检测引脚是低电平有效，可以加个反相器，具体情况具体设计即可。
补：
一般而言，上面的电路设计已经可以实现USB数据的正常传输了。但在电磁兼容要求较为严格的场合，还需在USB插座端靠近插座的地方加上共模电感，这里共模电感的作用是为了考虑电磁兼容问题，防止板子内部的高频干扰通过USB线辐射到外面，对其他的模块和设备造成电磁干扰。

如上所示，电脑上没有共模电感的原理图封装吗，用普通电感示意了一下，但原理相同。