USB硬件设计注意事项
USB物理层介绍及电路设计注意事项
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USB-Universal Serial Bus
USB，是英文Universal Serial Bus，通用串行总线的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。
USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。
Bus 拓扑
决定一个USB host下面最多挂载127个设备，算上主机USB则是128个（2^7）USB将USB设备与USB主机连接。 USB物理互连是分层星形拓扑。
枢纽位于分层星形的中心。
每个线段是主机与集线器或功能之间的点对点连接，或连接到另一个集线器或功能的集线器。
由于允许集线器和电缆传播时间的时序限制，允许的最大层数为7（包括根层）。
请注意，在七层中，主机和任何设备之间的通信路径中最多可以支持五个非根集线器（就是除去主HOST仅能有5个HUB）。
复合装置（Compound Device）占两层; 因此，如果在第七级附加，则无法启用。
USB拓扑如下：
USB信号
USB信号包含：
USB屏蔽线缆：
- 电源Vbus
- 数据线D+
- 数据线D-
- 信号参考GND
- 外壳屏蔽GND。
Vbus
首先讲电源Vbus，为USB设备供电引脚电源，一般是5V电源电压，设备自己转换为3.3V电源，具体如下：
- 总线供电：器件使用 USB 线缆 VBUS 线上的电源。目前，这是为 USB 器件（如笔式驱动器、鼠标、键盘和较新的磁盘驱动器）供电的最常见方法。
总线供电：
- 自供电：某些 USB 外设（如磁盘驱动器）所需电源超过了线缆所提供的电源。这些外设通常使用外部电源（这些电源通常为壁式电源适配器）。
- 混合电源：USB 器件可以自供电或由总线供电。这些器件比较罕见，并且通常需要多个电源。这个场景不是特别多，故暂不介绍。
各条信号线介绍如下：
电源规范
USB 2.0 主机在 5 V VBUS 线上提供了两种功耗水平：
插入时的 100 毫安电流和运行期间的 500 毫安电流。
- USB规范为100 mA负载提供的 VBUS 范围为4.4 V到5.25 V;
- 并且为500 mA 负载提供的 VBUS 范围为 4.75 V 到 5.25 V。
USB 外设通常将该电压调节为 3.3 V，从而为器件提供最清洁的电源。
在所有情况下，总线供电的集线器为下行端口提供 100 mA 的电流。一个外部供电的集线器能够为其自身的每个下行端口提供 500 mA 的电源。
数据线
数据线为差分结构的，差分阻抗需要保持为90Ω标准，且需要一直维持该阻抗保持不变。
D+和 D–走线的长度差异不应超过 50 mil（1.25 mm），从而可以避免信号时滞并防止对信号时序产生影响。
数据线靠近源端需要串接28欧姆~39Ω的电阻，用来实现阻抗匹配，因为源阻抗为CMOS输出，阻抗太小太小；
信号电平以及驱动方式：
1)低速差分线，USB使用差分输出驱动器将USB数据信号驱动到USB电缆上。
驱动器在低电平状态下的静态输出摆幅必须低于VOL（最大值）0.3V，1.5k负载电压至3.6V，并且在高电平状态下必须高于2.8V的VOH（最小值），负载为15k。
2）全速差分线，全速驱动器有更严格的要求。差分高低状态之间的输出摆动必须很好地平衡，以最小化信号偏斜。需要对驱动器进行转换速率控制，以最大限度地降低辐射噪声和串扰。
3）高速差分线，差分线电平采用低电平传输，高电平为400mV，低电平为0+/-10mV，因为电平更低对应的信号上升时间越短。高速模式使用电流驱动，驱动大小为17.78mA。
屏蔽接地
需要通过一个电阻将 SHIELD 信号接地。这样有助于隔离该信号并降低 EMI 和 RFI 辐射。尽量将该电阻放置在靠近USB 连接器的位置。可能需要进行一些试验，从而获得正确的数值。
但是一般我们直接是连接在一起的和信号地，因为本身而言不是长距离的话影响不大。
数据参考地
数据参考地一般直接连接整块主板的大地，可以获得更好的信号完整性和EMI特性。
这个地最好是连续的，且是很大面积的。
如下所示：
USB速率
- 低速：1.5Mbps
- 全速：12Mbps
- 高速：480Mbps
…
USB HUB-集线器
集线器是USB即插即用架构的关键元素。集线器用于从用户的角度简化USB连接，并以低成本复杂度提供稳健性。
集线器的上游端口将集线器连接到主机。集线器的每个下游端口都允许连接到另一个集线器或功能。集线器可以检测每个下游端口的连接和分离，并能够为下游设备分配电力。每个下游端口都可以单独启用并连接到全速或低速设备。集线器将低速端口与全速信令隔离开来。
集线器由两部分组成：集线器控制器和集线器中继器。
集线器中继器是上游端口和下游端口之间的协议控制交换机。它还具有复位和挂起/恢复信令的硬件支持。主机控制器提供允许与主机通信的接口寄存器。
标准内芯线的类别
前面第一列为标准的线芯描述，数字越大表示线芯越细，后面描述的是线的直流阻抗/100米，线越粗，阻抗越小。
所以并不是所有的线径都是满足USB协议的，那些仅仅是可以使用的，况且实际上很多便宜的USB数据线是没有屏蔽层的，这种线可能导致电磁干扰，表现最明显的就是充电时，屏幕操作失灵。
USB插入检测
全速设备识别
全速设备识别，全速设备是在数据线D+上连接上拉电阻，上拉电阻阻值为1.5K，上拉电压为3.3V，在初始上电时控制器通过D+上拉识别到该设备是全速设备，请注意上拉电阻不得小于900Ω，控制器端下拉电阻是15K。
低速设备识别
低速设备识别，低速设备是在数据线D-上连接上拉电阻，上拉电阻阻值为1.5K，上拉电压为3.3V，在初始上电时控制器通过D-上拉识别到该设备是全速设备，请注意上拉电阻不得小于900Ω，控制器端下拉电阻是15K。
高速设备识别
高速设备识别与全速设备前期基本一致，但是高速设备初始是上拉到3.3V的，后续内部有可控制的开关断开此连接，所以，后续判定为高速设备。进而进入高速设备模式。
USB设备驱动电路
高速设备驱动电路
为了在高速模式下发送，收发器激活从其正电源电压导出的内部电流源，并通过高速电流转向开关将该电流引导到两条数据线之一。
这样，收发器在电缆上产生高速J或K状态。
将该电流动态切换到D +或D-线遵循在低速或全速操作中使用的相同NRZI数据编码方案以及位填充行为。为了发信号通知J，电流被引导到D +线，并且为了发信号通知K，电流被引导到D-线。SYNC字段和EOP分隔符已针对高速模式进行了修改。
低速和全速设备驱动
低速和全速使用的是3.3V电平标准，请保证输出阻抗匹配传输阻抗，所以建议串联电阻为28Ω到44Ω大小。
数据编码方式
USB在发送数据包时采用NRZI数据编码。 在NRZI编码中，“1”表示级别没有变化，“0”表示级别变化。高电平表示显示NRZI编码的本图和后续图中数据线上的J状态。一串零会导致NRZI数据切换每个位时间。 一串1导致长周期而数据没有转换。
USB电路设计
USB电路设计请注意：
错误：USB数据速率很高，所以我们设计中可能见到USB Host直接经过电阻分叉之后给到两个USB设备，这种做法是及其错误的，就目前而言，信号质量一定会受到影响，切记不得已不要这样设计！！！
正确：使用USB专用器件来实现兼容或分叉设计，此时需要使用USB Switch或者USB Bridge。
以下为USB电路设计，如果看不清可以看参考最后一个链接；
1）U28是过流保护器件，USB协议中规定USB端口供电5V，电流500mA，超过该值要能实现关断输出，另外在负载短路时也能实现关断，所以使用该器件，该器件叫做负载开关芯片。
2）L11是共模电感，共模电流会导致EMC测试中的辐射测试超标，差分信号不平衡将会导致该情况发生，所以增加共模电感，来减小/阻碍共模电流。
3）U29是静电防护器件，因为USB端口我们会使用手插入USB设备，可能导致电源、数据线上有静电放电，用该器件来保护CPU端口。
4）Vbus上的电容，这是因为USB设备插入时瞬间电流较大，则可能导致Vbus电压下降，此时需要满足标准规定，所以增加电容来稳定电压。
5）FB13是信号地和外壳屏蔽地之间的隔离磁珠，磁珠是耗能原件，来消耗掉不需要的干扰高频信号，直流下基本上没作用。
6）J19是USB端子，可能是电脑那种的USB母头，也可能是手机上的Micro USB接口。
7）USB输出靠近CPU侧放置小电阻的作用是源端阻抗匹配，具体可见我其他博文。
8）在USB靠近端子侧放置电阻是静电防护作用，因为有时候静电防护器件还没起作用，就要靠这个电阻起作用了。
常见问题与解决办法
Reference
1、赛普拉斯 USB检索：
https://www.cypress.com/search/all/USB?sort_by=search_api_relevance&f[0]=meta_type%3Atechnical_documents&f[1]=field_related_products%3A1341&page=18
2、赛普拉斯 USB 眼图：
https://www.cypress.com/file/126176/download
3、赛普拉斯 USB电路：
https://www.cypress.com/file/180466/download
4、TI USB相关：
http://www.ti.com.cn/tool/cn/tidep0013?keyMatch=USB2 0&tisearch=Search-CN-Everything
2019-07-17且行且看，且思且行