USB是比較通用的，這里就寫USB2.0和3.0的通用設計規則，以及幾個實際中的注意事項。

一.電路設計

1.由于USB是外部接口，考慮到用戶使用的各種復雜條件，防止有短路的情況影響到板卡自身的電源，所以需要設計限流IC。

這里使用的限流IC還是比較簡單的，首先根據負載確定限流IC芯片，USB2.0跟USB3.0跑的最大電流不一樣，限流的大小也不一樣，需要注意。

筆者以前做設計用過另外一種限流IC，保護時能輸出狀態IO，這個信號可以連接到板卡的SOC，或者MCU等，以進行狀態檢測。

2.電容

因為USB設備拔插的時候，電壓會波動，尤其是插入的時候，需要較大的電流，需要在接口附近使用較大的電容，防止電壓被拉低。為了電源的干凈，也可以增加兩枚小電容。

3. 信號線。USB信號走的是差分信號，為了保護，需要在鏈路上增加TVS管，理論上每個元器件都有一定的容性，所以選用TVS管的時候，盡量選擇容性負載小一些的，對信號影響最小。保護電壓不必太大，考慮USB差分信號幅值大小來選型即可。考慮到PCB走線阻抗的連續性，TVS管在板卡的位置，距離USB座子不宜太遠也不宜太近。太遠不利于TVS，太近則會導致阻抗跌落。

二. USB2.0

以下為USB電路設計；

1）U28是過流保護器件，USB協議中規定USB端口供電5V，電流500mA，超過該值要能實現關斷輸出，另外在負載短路時也能實現關斷，所以使用該器件，該器件叫做負載開關芯片。

2）L11是共模電感，共模電流會導致EMC測試中的輻射測試超標，差分信號不平衡將會導致該情況發生，所以增加共模電感，來減小/阻礙共模電流。實際產品設計中，這個共模電感可以和兩顆0402的電阻做共-lay，然后根據實際測試的數據決定電感要不要上件。如果貼電阻的情況下，EMC的表現也很好，那么就不貼共模電感，只貼電阻就可以了，畢竟一個共模電感可以買好多個電阻了，成本差異很明顯。

3）U29是靜電防護器件，因為USB端口我們會使用手插入USB設備，可能導致電源、數據線上有靜電放電，用該器件來保護CPU端口。一般這個靜電防護器件要注意結電容，結電容和信號速率相關。USB信號上通常用的ESD器件的結電容在幾pF左右。同時，在PCB上，這個ESD器件不要有分叉走線，最好把ESD器件的焊盤直接放在USB信號線上。

4）Vbus上的電容，這是因為USB設備插入時瞬間電流較大，則可能導致Vbus電壓下降，此時需要滿足標準規定，所以增加電容來穩定電壓。

5）FB13是信號地和外殼屏蔽地之間的隔離磁珠，磁珠是耗能原件，來消耗掉不需要的干擾高頻信號，直流下基本上沒作用。

6）J19是USB端子，可能是電腦那種的USB母頭，也可能是手機上的Micro USB接口。

7）在USB靠近端子側放置電阻是靜電防護作用，因為有時候靜電防護器件還沒起作用，就要靠這個電阻起作用了。

三. USB3.0

USB3.0相比2.0在硬件物理連接上有較大的改變，采用的是RX/TX全雙工鏈路設計，由2對差分信號組成，同時向下兼容USB2.0，所以整個接口有3對差分信號，分別為USB3_RXM/USB3_RXP，USB3_TXM/USB3_TXP，USB2_DM/USB2_DP，USB3.0的傳輸速率可達到5Gbps，相比USB2.0 480Mbps有比較大的提供。

硬件原理設計

如下圖，為USB3.0的Data數據連接原理圖，從電路上可以看是USB2.0為半雙工，數據收發在一對差分信號上傳輸。USB3.0為全雙工，收發信號為獨立的傳輸路徑；其次，由于Sink端的直流偏置電壓和source端的直流偏置電壓不一樣，故要需要串入AC耦合電容，電容一般取100nF，一般靠近驅動端放置，電容在設計上要求ESR ESL（特別重要）盡量小。

USB 3.0的Host的RX連接到Device Tx，Host的Tx連接到Device的 Rx，類似于我們常用的UART接口的連接。

PCB Layout設計

硬件連接上相對比較簡單，最終需要PCB Layout設計來保證信號的完整性，接下來從PCB層疊結構、阻抗控制、走線要求等細節上說明USB3.0的設計的注意事項。

阻抗控制：90Ω差分阻抗±10%

AC耦合電容：100nF

USB2.0: 5V,500mA

USB3.0: 5V,1A

1. PCB層疊結構要求

以下是4層板的層疊結構圖，可通過Si9000計算出差分對所約束的線寬線距。

對于PCB阻抗線的定義，受那些物理參數影響，請自行查閱相關

2. USB差分阻抗控制要求

參考USB PHY手冊，基于上圖的層疊結構，計算出差分信號所要求的線寬線距，本文為ASM1153 為例進行闡述：

ASM1153為USB 3.0轉Sata接口的橋芯片，要求USB 3.0的差分阻抗為85歐，USB2.0為90歐，差分對等長公差在+/-5mil。

3. PCB走線要求

5Gbps的速率需要以高速線的設計規則來嚴格把關走線，充分考慮PCB的設計細節

3.1 PCB出線要求盡可能平等出差，具體走線參考下圖：

3.2 走線換層需要在信號過孔旁邊增加地過孔，用于信號的回流（高速通用規則）

3.3 USB信號測試點的放置建議如下圖，“一”字形放置在路徑上，非Y字形或T字形放置，并且測試焊盤如果走線不連續的較大焊盤，請將相鄰層的GND層垂直于測試焊盤掏空，避免出現影響信號的寄生電容或等效電容。測試點的焊盤尺寸，應盡可能的小，如果必需要放置測試點的話，比照0402封裝的焊盤尺寸或直接將測試點放置在信號線的過孔上。

3.4 關于等長匹配蛇形線的走線方式，建議按下圖方式走線

3.5 USB3.0 的P/M如果走線上有交差，可以將差分對的P/M交換，USB3允許P/M反轉

四. 注意事項

USB2.0信號線換層次數。

一般是要求換層2次，即從SoC扇出換層一次，到Device端或者連接器端換層一次。十幾種換3~4次也沒有問題，但最好每次換層都伴隨GND過孔，每個信號線一個，空間受限的話也可以兩個信號先共用一個。

USB3.0信號

USB3.0速率更高，這方面的要求會更嚴格一點。在實際項目中，也可以參考2.0的信號處理。

如果是核心板和底板的方式，那么用非高速的普通連接器問題也不大。

審核編輯：郭婷