USB硬件设计注意事项
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：
无法识别usb设备
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

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