USB2.0的EMI和ESD設(shè)計(jì)
提供雙向、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/span>USB接口，以其即插即用、可熱插拔和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為計(jì)算機(jī)和信息電子產(chǎn)品連接外圍設(shè)備的優(yōu)選接口。時(shí)下流行的USB2.0具有高達(dá)480Mbps的傳輸速率，并與傳輸速率為12Mbps的全速USB1.1和傳輸速率為1.5Mbps的低速USB1.0完全兼容。這使得數(shù)字圖像器、掃描儀、視頻會(huì)議攝像機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速、高性能的數(shù)據(jù)傳輸。另外值得一提的是，USB2.0的加強(qiáng)版USB OTG可以實(shí)現(xiàn)沒有主機(jī)時(shí)設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。例如。數(shù)碼相機(jī)可以直接與打印機(jī)連接并打印照片，PDA可以與其它品牌的PDA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或文件交換。
USB接口的傳輸速率很高，因此如何提高USB信號(hào)的傳輸質(zhì)量、減小電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)成為USB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以USB2.0為例，從電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)此進(jìn)行分析。
當(dāng)USB2.0接口采用高速差動(dòng)信號(hào)傳輸方式時(shí)，由于接地層與電源層的信號(hào)搖擺，放射噪聲會(huì)有所增加。因此，為避免串?dāng)_并保證信號(hào)的完整性，消除將要混入高速信號(hào)中的共模噪聲是電磁兼容設(shè)計(jì)的必要對(duì)策。在圖1所示的電路中，數(shù)據(jù)電源線和地線上分別串聯(lián)一個(gè)阻抗為120歐姆、額定電流為2A的磁珠，而差分線對(duì)上則串聯(lián)一個(gè)共模阻抗為90歐姆的共模扼流器。共模抗流器由兩根導(dǎo)線同方向繞在磁芯材料上，當(dāng)共模電流通過時(shí)，共模抗流器會(huì)因磁通量疊加而產(chǎn)生高阻抗；當(dāng)差模電流通過時(shí)，共模抗流器因磁通量互相抵消而產(chǎn)生較小阻抗。該器件在100MHz的差模阻抗僅為4.6歐姆。從圖2所示的衰減特性也能看出共模扼流器對(duì)差分信號(hào)不會(huì)造成影響，主要是針對(duì)共模電流進(jìn)行選擇性的衰減。
圖1：USB2.0的噪聲抑制電路圖。
圖2：SDCW2012-2-900的衰減頻譜。
由于USB接口具有可熱插拔性，USB接口很容易因不可避免的人為因素而導(dǎo)致靜電損壞器件，比如死機(jī)、燒板等。因此使用USB接口的用戶迫切要求加入防ESD的保護(hù)器件。在圖3電路中，數(shù)據(jù)電源線、地線上各有一個(gè)工作電壓為5.5V、電容為100pF的壓敏電阻連到屏蔽地上。差分線對(duì)因數(shù)據(jù)傳送速度高達(dá)480Mbps，則需要連接電容小于4pF的器件，因?yàn)檩^大的電容可導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)波形惡化，甚至出現(xiàn)位錯(cuò)誤。因此在差分線對(duì)上接入工作電壓為18V、電容*大值為4pF的壓敏電阻器。圖4所示的電壓波形也驗(yàn)證了電容為4pF的壓敏電阻器對(duì)波形的影響不大。
圖3：USB2.0的ESD防護(hù)電路圖。
圖4：不同電容值的壓敏電阻對(duì)波形的影響。
對(duì)于USB2.0的PCB布線，需要考慮以下原則：1.差分線對(duì)要保持線長匹配，否則會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏移、降低信號(hào)質(zhì)量以及增加EMI；2.差分線對(duì)之間的間距要保持小于10mm，并增大它們與其它信號(hào)走線的間距；3.差分走線要求在同一板層上，因?yàn)椴煌瑢又g的阻抗、過孔等差別會(huì)降低差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼暎?/span>4.差分信號(hào)線之間的耦合會(huì)影響信號(hào)線的外在阻抗，必須采用終端電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)差分傳輸線的*佳匹配；5.盡量減少過孔等會(huì)引起線路不連續(xù)的因素；6.避免導(dǎo)致阻值不連續(xù)性的90度走線，可用圓弧或45度折線來代替；7.壓敏電阻器的接地端要接入屏蔽地層，并放置在端口位置。