當(dāng)你去自己喜愛的電子商店的時候，你是否注意到最新的一些USB2.0設(shè)備? USB2.0正在侵入市場，它擁有40倍于USB1.1的速度；對比于IEEE1394(也叫做“火線”或“1394”) ，USB2.0傳輸速度更快，更便宜，而且更易于實現(xiàn)。據(jù)估計40%的USB2.0器件可望應(yīng)用在特大容量的存儲器領(lǐng)域，如硬盤、CD-ROM、DVD、Zip驅(qū)動器、閃存卡(CF Card)等等。

USB1.1規(guī)格產(chǎn)生了二種速度模式：低速模式和全速模式。低速模式工作速率為1.5Mbps，它主要應(yīng)用于像鼠標(biāo)和鍵盤這些低帶寬的設(shè)備。全速模式工作速率為12Mbps，無數(shù)設(shè)備工作在這個速率，包括儲藏器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、音箱喇叭、打印機等等。

USB2.0標(biāo)準(zhǔn)是一個以480Mbps為工作速率的“高速度”模式。對于一個利用USB全速模式與PC通信的硬盤來說，12Mbps的數(shù)據(jù)率是一個瓶頸。在USB2.0標(biāo)準(zhǔn)定義的高速模式里面，這個瓶頸得到了緩和。

USB2.0向下兼容USB1.1。如果一個高速USB設(shè)備被插入USB1.1的主機，它們之間的通信將會以全速模式速率來進(jìn)行；然而，任何一個USB設(shè)備被插入到USB2.0主機的話, 通信都將會以480Mbps來進(jìn)行。

改變信號設(shè)備的電壓可以很簡易地增加傳輸速率。低速模式和全速模式使用3.3V高電平和0V低電平。高速模式的信號維持使用0V低電平, 但高電平使用400mV；除了使信號能夠在線路上以一個很高的頻率來進(jìn)行交換，較小的信號漂移在改善信號質(zhì)量的同時也減少了EMI(電磁干擾，Electromagnetic Interference)。

從USB主機或集線器到USB設(shè)備，USB線纜提供了五個電氣連接點，分別為VBUS、D+、D-、GND和一個屏蔽保護(hù)(Shield)。D+和D-是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟罘中盘�，但�? 他們不總是差分的；例如, 在全速模態(tài)中，由于D+和D-同時降低為低電平而發(fā)出信息包尾(EOP，End-of-Packet)標(biāo)志符。VBUS是一條電源線路，額定值為+5V和500A。然而，如果一個USB設(shè)備未被主機配置的時候，該設(shè)備的電流將被限制在100mA以內(nèi)。GND被用作D+和D-的接地參考以及VBUS的回路。屏蔽保護(hù)位于線纜和連接點的外部，它被用來減少ESD(靜電釋放，Electrostatic Discharge )、EMI以及RFI(射頻干擾，Radio Frequency Interence)。

電路板設(shè)計的方式和所使用的元器件對電信號質(zhì)量都具有非常大的影響。因此，電路板一定要正確地使用這些連接點，并且能夠提供符合D+和D-所需的聯(lián)結(jié)終端。

在USB 2.0技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的同時，也作了一些關(guān)于USB法規(guī)方面的更改。負(fù)責(zé)USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及兼容性相關(guān)問題的USB-IF (USB實施者論壇，USB Implementers Forum)正式組成股份制公司，給予使用USB IP (知識產(chǎn)權(quán)，Intellectual Property)以更多合法的管理及控制。新的USB標(biāo)示已被設(shè)計；當(dāng)使用USB標(biāo)準(zhǔn)時候，使用者必須提供新的授權(quán)協(xié)定(Licensing Agreement)。

USB-IF正試圖確保所有的USB設(shè)備、主機及集線器相互兼容。當(dāng)產(chǎn)品被不同的公司設(shè)計而且以高速模式進(jìn)行操作的時候，這將會是一項大挑戰(zhàn)。新的授權(quán)協(xié)定包括要求這些公司必須遵從USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及通過委托兼容性測試才能貼上新的標(biāo)示進(jìn)行銷售USB產(chǎn)品。這個測試確保USB設(shè)備被其他的設(shè)備兼容以及遵從USB的電氣標(biāo)準(zhǔn)和機械標(biāo)準(zhǔn)。這些測試將會在USB-IF的兼容性車間或者第三方授權(quán)的測試工作室里面進(jìn)行。

電氣兼容性測試

理解USB設(shè)備所執(zhí)行的電氣測試類型，有助于正確地設(shè)計一個PCB電路板。本文將會把重心集中在高速USB設(shè)備上，因為這明顯是PCB設(shè)計面臨挑戰(zhàn)之所在。作者的經(jīng)驗主要來自外圍設(shè)備的設(shè)計和測試，所以我們將重心集中在高速USB設(shè)備的測試上(這些原理同樣地適用于主機端USB的設(shè)計)。

高速USB設(shè)備要通過以下的電氣測試：高速和全速信號完整性測試，高速線性調(diào)頻脈沖測試，高速接收器敏感度測試，信號線的直流電平測試，以及VBUS的侵入電流(Inrush Current)測試。下面提供的測試內(nèi)容定會對你的PCB設(shè)計有明顯的用處。

高速和全速信號完整性測試

信號完整性測試的目的就是為了檢驗D+和D-信號線是否符合定時和電氣要求。部份測試將會把一個設(shè)備通過已被USB標(biāo)準(zhǔn)定義的測試模式來完成。在這個測試模式里，該設(shè)備不斷地傳送某個預(yù)定的數(shù)據(jù)包，然后用示波器來測量該數(shù)據(jù)包，通過波形對位重疊部分進(jìn)行獨立的位時間(Bit Time)分析。這個結(jié)果是一個曲線圖，被稱為“眼圖”(見圖1、2)。

“眼圖”是設(shè)備的信號發(fā)送器上升沿和下降沿時間、信號水平以及抖動等情況的簡明表示�！把蹐D”能清晰地表示設(shè)備的信號發(fā)送器是否符合電氣標(biāo)準(zhǔn)的要求。其他的測量被用于確定信息包尾的寬度以及信號速率這些參數(shù)。這些測試在高速和全速模式下執(zhí)行，用以驗證設(shè)備功能是否適用于兩種信號速率。

圖1: 眼圖1

高速模式的“眼圖”的測量是用一個10GSps (GigaSamples/s) 的數(shù)字示波器及一個高帶寬的差分探頭。為檢驗USB2.0兼容性，這些數(shù)據(jù)被輸送到MATLAB工程軟件里面進(jìn)行處理。陰影部分表示違反標(biāo)準(zhǔn)部分；如果“眼圖”波形進(jìn)入陰影區(qū)域之內(nèi)說明這個設(shè)備沒有通過測試。

圖2: 眼圖2

全速模式的“眼圖”測量使用一個帶有(兩個)單端高帶寬活性探頭的數(shù)字示波器。USB-IF同時也為MATLAB.提供測試腳本。

高速線性調(diào)頻脈沖測試

一個設(shè)備和主機使用一次握手確定它們是否具備高速處理能力。高速設(shè)備通過線性調(diào)頻脈沖(Chirp)發(fā)出握手信號。如果主機控制器或集線器支持高速模式，當(dāng)它檢測到調(diào)頻脈沖的時候就會響應(yīng)握手，進(jìn)而啟動高速通信；否則，主機控制器或集線器將檢測不到調(diào)頻脈沖而沒有響應(yīng)，啟動的將是全速模式通信而非高速通信模式。圖3給出高速檢測及握手過程順序的一個例子。

圖3：高速檢測及握手過程

高速線性調(diào)頻脈沖的測量使用(兩個)單端高帶寬活性探頭。1通道是D-；2通道是D+。D+被升起然后下降，經(jīng)過一個簡短的時段之后D-在3ms的地方升起，D+和D-然后觸發(fā)三次，緊接著高速終端就開始工作了。

在兼容性測試當(dāng)中，測量線性調(diào)頻脈沖用來證實設(shè)備能否符合必需的定時、電壓和高速終端的要求，因而決定能否與其他設(shè)備兼容。

高速度接收器敏感度測試

在高速模式里使用較低的信號水平，接收器的敏感度將會是一個重要的表現(xiàn)特性。接收器必須利用電壓水平機制判斷一個信號是否有效；若該信號處于最低電平之上就視為有效；反之無效，從而忽略該信號。測量接收器的敏感度的時候，應(yīng)該先將設(shè)備置于另一測試模式。在這個測試當(dāng)中，一個數(shù)據(jù)產(chǎn)生器將不斷地向設(shè)備發(fā)送IN標(biāo)記數(shù)據(jù)包(見圖4)；設(shè)備將會以NAK(否定應(yīng)答，Negative Acknowledgement)數(shù)據(jù)包對其收到的任意IN標(biāo)號做出響應(yīng)。直到設(shè)備停止響應(yīng)，這些IN標(biāo)記的信號水平才會降低；設(shè)備停止響應(yīng)時候的電壓水平被用于證明這個設(shè)備是否符合敏感度的要求。

圖 4：高速度接收器敏感度測試。其中，高速度接收器敏感度的測試使用高帶寬的差分探頭。一個數(shù)據(jù)發(fā)生器將不斷地產(chǎn)生并發(fā)送IN標(biāo)記(一個很小的數(shù)據(jù)包)到設(shè)備；設(shè)備以NAK進(jìn)行響應(yīng)。IN標(biāo)記的電壓水平只有在設(shè)備停止響應(yīng)的時候才會降低

設(shè)計

在尋求設(shè)計USB 2.0兼容設(shè)備的道路上，正確選擇合適的芯片對于整個設(shè)計來說是至關(guān)重要的。如果被選擇的USB芯片具有很好的信號特征，板卡設(shè)計以及測試就會變得相對簡單；然而，如果被選擇的USB芯片的信號特征不好，對于整個PCB設(shè)計來說，那將會是一場噩夢。事實上，無需為你設(shè)計的PCB板能否令最終產(chǎn)品通過兼容性測試而擔(dān)憂太多。最起碼，芯片應(yīng)該已經(jīng)通過兼容性測試以及USB-IF認(rèn)證。如果你在眾多的產(chǎn)品中選用能夠通過嚴(yán)格測試的芯片，相信你的設(shè)計同樣會進(jìn)展得非常順利；因為不但生產(chǎn)商自己會對這些芯片的兼容性做非常詳細(xì)的檢查，它的競爭對手同時也會。

圖 5: USB2.0 ATA/ATAPI橋電路板的安裝ISD-300 

USB數(shù)據(jù)信號布線

相對12Mbps來說，480Mbps對于USB1.1具有更大的威脅性。所幸運的是，選定D+和D-線路并不需要一個射頻專家。按照以下的簡單規(guī)則進(jìn)行設(shè)計，你會發(fā)現(xiàn)要達(dá)到良好的信號質(zhì)量并不是那么難。

第一個規(guī)則就是要給D+和D-一個90 的差分阻抗以避免反射和噪聲。圖6所示是一個4層PCB，棧疊厚1.6mm的設(shè)計。D+和D-布線被選定在GND面之上。要調(diào)整好線路寬度及D+和D-的線路間距；每條線路寬度是0.4mm，線路間距是0.18mm。對于不同尺寸的PCB，請參閱PCB制造商提供的適當(dāng)?shù)臈／B厚度、線路寬度及線路間距。在PCB板離開生產(chǎn)車間的同時，制造商們也會提供他們的測試阻抗值。GND面一定足夠堅固，以避免裂開；若十分有必要拆分GND面，謹(jǐn)記，千萬不要在D+和D-下面拆分。

圖 6：厚1.6mm的4層PCB板的棧疊

這是一個差分阻抗為90 的(4層，厚1.6mm)PCB板的典型棧疊。D+和D-線路寬度是0.4mm，兩線路間距是0.18mm。對于其他尺寸的PCB板上被調(diào)整過的差分阻抗，制造商會給你推薦合適的棧疊。

D+和D-應(yīng)該被分配少于2.5mm的長度以避免信號產(chǎn)生偏移。信號偏移會導(dǎo)致交叉電壓在信號完整性測試當(dāng)中受到影響。因為USB2.0標(biāo)準(zhǔn)允許連接器與收發(fā)器之間的信號傳播時間是1ns，所以信號線路的長度必須保持在75mm之內(nèi)(推薦使用20-30mm)。同時為防止線路阻抗中斷而導(dǎo)致信號反射，應(yīng)避免D+和D-布線通過VIAS(語音干擾分析系統(tǒng)，Voice Interference Analysis System)。

根據(jù)所選用的USB芯片需要，終端負(fù)載的串聯(lián)電阻應(yīng)該盡量地靠近收發(fā)器的引腳；同樣，其他連接D+和D-的被動元器件的焊點應(yīng)該盡可能靠攏；從信號線到焊點的長線頭也會產(chǎn)生反射而影響信號的質(zhì)量。這些不連續(xù)產(chǎn)生的噪音不僅會使得設(shè)計很難通過兼容性測試，同時高頻信號元件也會產(chǎn)生射頻輻射而導(dǎo)致設(shè)計難以通過隨后的EMC(電磁兼容性，Electromagnetic Compatibility)測試。通過“刮痕處理”(Scratch)能使整個設(shè)計明潔，比修復(fù)帶噪音干擾設(shè)計來說就簡單得多。

為了進(jìn)一步減少噪聲，可以把USB連接器放在一個半島狀的突出面上，這可以通過切除連接器周邊的VCC和GND來實現(xiàn)(D+和D-線路里面的例外)。當(dāng)然，你也可以使時鐘線路和其他高頻信號遠(yuǎn)離D+和D-線路以減少噪音。

圖7給出一個比較理想的關(guān)于D+和D-的線路板布局圖；它證明了以上所描述規(guī)則的正確性。第一層和第四層都是信號層(D+和D-的線路處于第一層上)，第二層是GND面，第三層是VCC面。值得注意的是，除了連接器周圍的半島外，GND面必須堅固而沒有裂痕。

圖 7：D+和D-線路的理想布局圖

圖7展示了理想的D+和D-線路布局。我們要注意那些串聯(lián)電阻和上拉式電阻的焊點是分布在信號線路上面的，以及它們是怎樣分布在USB芯片周邊的。第二層是堅固的GND面，用來放置適當(dāng)?shù)?D+和D-)差分阻抗。

電源與接地

USB設(shè)備不是從VBUS總線上得到供電，就是“自給供電”(self-power)——從其他帶電源那里獲得供電。如今市面上的USB芯片大約消耗200mA的電流。如前面所說，在主機允許之前USB不應(yīng)該“吸取”大于100mA的電流；這意味著今天的USB 2.0芯片很自然地適合于“自給供電”設(shè)計。

由于大多數(shù)的設(shè)備工作在3.3V/200mA狀態(tài)下，因此最好是使用3.3V/300mA±5%的電源。總線供電設(shè)備需要支持一種被稱為掛起(Suspend)的低功率狀態(tài)。為到達(dá)這種效果，供電源應(yīng)該能夠調(diào)整負(fù)載電流(Load Current)到約100µA的幅度。

數(shù)字式電源是非常嘈雜的，需要體積龐大的存儲及去耦電容才能令它變得安靜。通常，應(yīng)該使用兩個10µF低ERS的電容器獲取大容量。在這方面，陶瓷電容比較出色。同時，應(yīng)該在USB芯片的每個電源引腳上接一個0.1µF的去耦電容。線路板上的模擬VCC、模擬GND及數(shù)字VCC、數(shù)字GND之間應(yīng)保持物理性距離。這就是說，電源面應(yīng)被分離從而可以提供分立的模擬VCC區(qū)域。圖8給出了一個這樣的例子——模擬GND面直接放置在第四層的模擬VCC面上。

圖8：模擬VCC與數(shù)字VCC的理想隔離

圖8展示在第三層中，模擬VCC與數(shù)字VCC的理想隔離。模擬GND面在第四層的大小和位置跟模擬VCC一樣。USB芯片的在第一層上的位置也給出，以供參考。

在“自給供電”設(shè)計中，若有必要減少EMI及RFI，輸入電壓(VIN)應(yīng)該被濾去。如果PCB板只提供電源給線路(USB接口除外)的話，那么輸出頭就需要額外的儲存電容量。

其他考慮因素

除了USB信號，還有其它一些信號需要特別注意。大存儲設(shè)備可能需要串聯(lián)終端。這些電阻應(yīng)該盡可能地靠近USB芯片；同樣的道理也適用于晶振的放置。當(dāng)然，時鐘線路應(yīng)該遠(yuǎn)離其他高頻線路。

有時，VBUS易受到ESD(靜電釋放)的影響。一個簡單的RC濾波器可以使VBUS免受影響。RC濾波器同樣可以為USB芯片提供復(fù)位(Reset)功能，而專用的復(fù)位芯片更可以提供節(jié)電保護(hù)。

故障修理

不是所有的設(shè)計在第一次運行的時候都表現(xiàn)得很好。對于這種情況，如果你具備相當(dāng)?shù)墓收咸幚斫?jīng)驗就變得唾手可得了。其實，從USB的兼容性測試結(jié)果當(dāng)中可以查出很多設(shè)計當(dāng)中產(chǎn)生的問題的根本原因。請參考下表，以了解一些設(shè)計過程中常發(fā)生的問題及其原因。

常見問題	可能導(dǎo)致問題的原因
高速/全速信號完整性測試顯示較多的抖動	模擬VCC和模擬GND沒有與數(shù)字VCC和模擬GND充分地隔離 PCB板上的帶噪線路導(dǎo)致信號產(chǎn)生較高的抖動 D+和D-連接了型式錯誤的共態(tài)扼流圈
在高速/全速信號完整性測試當(dāng)中，EOP（信息包尾）沒有被檢測到或者超出了標(biāo)準(zhǔn)	EOP受到了扼流圈的干擾
交叉電壓超出了指定的范圍	D+和D-線路上配置的阻抗不正確 D+和D-線路長度不符合標(biāo)準(zhǔn)
線性調(diào)頻脈沖開始時刻的電壓值太高以及在“掛起狀態(tài)”超出了標(biāo)準(zhǔn)	3.3V的直流電壓面被一條或多條+5.0V的ATA/ATAPI線路反向供電。使用一個穩(wěn)壓器使電壓鉗定在3.3V，或者在VCC與GND之間添加一個1.5k 的電阻 接收器的敏感度不合格。模擬VCC沒有被完全地隔離或者VCC線路有噪音 D+和D-下面的GND面有裂痕 D+和D-連接了錯誤類型的共態(tài)扼流圈

結(jié)論

從USB 1.1全速模式到USB 2.0高速模式，具備40倍速度的提升是非常吸引人的。它打開了高速設(shè)備的市場以及為用戶帶來了更佳的體驗效果。它不但便宜而且易于實現(xiàn)。設(shè)計一個兼容USB2.0的PCB板不會像設(shè)計USB 1.1那樣無趣。秘密就在于你動手之前要有所計劃。如果你遵循本文所討論的簡單的設(shè)計規(guī)則，你就會覺得設(shè)計變得相當(dāng)?shù)暮唵�；也可以使得你第一次設(shè)計的產(chǎn)品同時符合USB兼容性、EMI和ESD的需求。

作者簡介
Michael M. Abraham于2000年從博里漢姆揚大學(xué)(Brigham Young University)獲得了他的計算機工程學(xué)士學(xué)位，并于同年加入ISD (In-System Design，已被Cypress收購)。他現(xiàn)在從事為日本及美國的存儲器大公司提供客戶PCA(Printed Circuit Assembly)工程設(shè)計的工作。
David Luke于1993年從博里漢姆揚大學(xué)獲得電氣工程碩士學(xué)位，并于1995年加入ISD。他現(xiàn)職為USB-IF MSCWG(Mass Storage Class Working Group)的主席，目前正在研發(fā)他的第七塊USB IC。

譯文刊登于《無線電技術(shù)》；翻譯：蘇宇。進(jìn)一步信息，請訪問http://www.wxdjs.com。