Технология PCB - Распространенные проблемы при проектировании схемы интерфейса USB

USB PCB design - это быстрая, двунаправленная, синхронная передача данных, дешевый, простой в использовании последовательный интерфейс с возможностью горячей замены.Устройства USB PCB design широко используются благодаря быстрой передаче данных, удобному интерфейсу и поддержке горячей замены. В настоящее время большинство продуктов на рынке используют USB2.0 в качестве интерфейса, но многие новички в аппаратном обеспечении сталкиваются со многими проблемами в приложениях USB, и часто различные проблемы возникают в интерфейсе USB после сборки печатной платы.

Например, если связь нестабильна или не удается установить связь, а с принципиальной схемой и сваркой проблем нет, возможно, в этот момент вам нужно заподозрить, что конструкция печатной платы неразумна.Выбор печатной платы, соответствующей требованиям к передаче данных USB2.0, играет чрезвычайно важную роль в производительности и надежности продукта.

Протокол USB определяет, что цифровые сигналы передаются по двум дифференциальным сигнальным линиям (D+, D-). Для стабильной работы USB-устройства линии дифференциального сигнала должны быть проложены и подключены строго в соответствии с правилами, касающимися дифференциальных сигналов. Основываясь на многолетнем опыте автора в разработке и отладке продуктов, связанных с USB, можно подытожить следующие моменты:

1. При размещении компонентов старайтесь делать дифференциальные линии как можно короче, чтобы сократить расстояние между ними (√ - разумный метод, × - неразумный метод).;

Кратчайшая дифференциальная линия

2. Сначала нарисуйте дифференциальные линии. Старайтесь, чтобы на паре дифференциальных линий было не более двух пар переходов (переходы увеличат паразитную индуктивность линии, что повлияет на целостность сигнала линии), и они должны быть расположены симметрично (√ - разумный способ, × - неразумный способ).;

Сначала нарисуйте дифференциальные линии

3. Симметричная параллельная прокладка может гарантировать, что две линии будут плотно соединены, избегайте прокладки под углом 90°, дуга или 45° являются лучшими методами прокладки (√ - разумный способ, × - неразумный способ).;

Дифференциальная последовательная емкость

4. Размещение дифференциальных последовательных резисторов и конденсаторов, контрольных точек, повышающих и понижающих резисторов (√ - разумный способ, × - неразумный способ).;

Соответствие длины линии

5. Из-за таких факторов, как распределение выводов, переходные отверстия и пространство для маршрутизации, различную длину линии легко перепутать. Если длина линии не совпадает, синхронизация будет смещена, и возникнут синфазные помехи, снижающие качество сигнала. Следовательно, несоответствие дифференциальных пар должно быть скомпенсировано соответствующим образом, чтобы соответствовать длине линии. Разница в длине обычно регулируется в пределах 5 миль. Принцип компенсации заключается в том, чтобы компенсировать разницу в длине, где бы она ни возникала;

Перекрестные помехи

6. Для уменьшения перекрестных помех, если позволяет пространство, расстояние между другими сигнальными сетями и наземными и дифференциальными линиями должно составлять не менее 20 миль (20 миль - эмпирическое значение). Если расстояние между землей и дифференциальной линией слишком велико, это повлияет на полное сопротивление дифференциальной линии;

Vbus в

7. Выходной ток USB составляет 500 мА. Обратите внимание на ширину линии VBUS и GND. Если используется медная фольга емкостью 1 унция, то ширина линии, превышающая 20 мил, может соответствовать требованиям к пропускной способности по току. Конечно, чем шире ширина линии, тем лучше надежность источника питания.

Ширина сигнальной линии и межстрочный интервал дифференциальной линии обычных USB-устройств соответствуют ширине сигнальной линии и межстрочному интервалу всей платы. Однако, когда рабочая скорость USB-устройства составляет 480 Мбит/с, простого выполнения вышеуказанных требований недостаточно. Нам также необходимо контролировать полное сопротивление дифференциального сигнала. Контроль полного сопротивления линии дифференциального сигнала очень важен для обеспечения целостности высокоскоростных цифровых сигналов.

Поскольку дифференциальный импеданс влияет на визуальную диаграмму направленности, полосу пропускания сигнала, дрожание сигнала и напряжение помех на сигнальной линии дифференциального сигнала. Дифференциальный импеданс линии обычно регулируется на уровне 90 (±10%) Ом (конкретные значения приведены в руководстве по микросхеме). Дифференциальное сопротивление линии обратно пропорционально ширине линии W1, W2, T1, обратно пропорционально диэлектрической проницаемости Er1, пропорционально расстоянию между линиями S1 и пропорционально расстоянию H1 от опорного слоя. На следующем рисунке показан поперечный разрез дифференциальной линии.

На следующем рисунке показан эталонный набор из четырехслойной платы, в котором два средних слоя являются эталонными. Эталонным слоем обычно является GND или Power, а эталонный слой, соответствующий дифференциальной линии, должен быть цельным и не может быть разделен, в противном случае это приведет к прерывистому сопротивлению дифференциальной линии. Если четырехслойная плата спроектирована в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2, то дифференциальная линия обычно имеет ширину 4,5 мил и расстояние между линиями 5,5 мил, чтобы обеспечить дифференциальное сопротивление 90 Ом.

Однако ширина строки в 4,5 мил и межстрочный интервал в 5,5 мил - это только наши теоретические расчетные значения. В конечном итоге производитель печатных плат внесет соответствующие коррективы в ширину линии, межстрочный интервал и расстояние до опорного слоя, исходя из требуемого значения импеданса, фактической производственной ситуации и материала платы.

USB2.0

Правила подключения, описанные выше, основаны на устройствах USB2.0. В процессе подключения USB-разъемов следите за тем, чтобы дифференциальные провода были короткими, плотно соединенными, одинаковой длины и с постоянным сопротивлением, а также обращайте внимание на пропускную способность линии питания USB. Если вы овладеете вышеперечисленными принципами, то проблем с работой USB-устройств практически не возникнет.