?撒迦利亞彼得森? |?創(chuàng)建時間：2021 年 10 月 30 日

在之前的博客中，我討論了為 2 層 PCB 準(zhǔn)備布線規(guī)則以支持數(shù)字信號布線和布局的一些基本要點。特別是，我們研究了在 2 層 PCB 上支持 I2C 或 SPI 等數(shù)字接口所需的一些基本堆疊和布線規(guī)則。使用這些接口時，一些簡單的指南可以幫助確保電路板中的信號完整性并降低 EMI。

像 USB 這樣的阻抗控制接口呢？對阻抗控制的需求以及知道何時可能違反它是在 2 層 PCB 上路由 USB 之類的東西的要點。在本文中，我將展示如何路由 USB 等高速協(xié)議。具體來說，我們將研究布線板所需的重要設(shè)計規(guī)則，特別是我們可以接受的傳輸 USB 數(shù)據(jù)的走線的長度限制。如果您還沒有閱讀本系列的上一篇文章，請看一看它為理解 USB 路由要求設(shè)置的限制所需的一些概念基礎(chǔ)。

入門：USB 2.0 高速路由要求

在上一篇關(guān)于 2 層 PCB 布線的文章中，我們研究了一個程序，以確定您可以在設(shè)計中使用的最長線路長度，而無需應(yīng)用阻抗匹配。我們發(fā)現(xiàn)長度限制取決于沿傳輸線長度您可以容忍的輸入阻抗偏差水平。特別是，取決于您是否將信號傳輸距離的 10% 到 25% 視為限制走線長度的重要因素。

對于這個演示，我想看看這個板上的 USB 2.0 路由在高速標(biāo)準(zhǔn)下，我專注于這個標(biāo)準(zhǔn)是有特定原因的。USB 2.0（高速）仍然在某些系統(tǒng)中使用，因為它提供與舊設(shè)備的連接以及快速的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且它仍然在流行的平臺上使用，例如帶有 B 型插頭的 Arduino。

為了說明兩種可能的設(shè)計，我比較了兩種 USB 2.0 規(guī)格（全速和高速）的數(shù)據(jù)速率和上升時間：

最小驅(qū)動器上升/下降時間	- 500 ps（高速） - 4 - 20 ns（全速）
最大差分對偏移	- 100 ps（高速） - 1 到 5 ns（全速）
阻抗目標(biāo)	- 90 歐姆差分

我將在下面展示的過程是針對具有高速上升時間和偏斜的 USB 2.0 信號執(zhí)行的，但您可以將相同的過程應(yīng)用于 USB 3.0 或任何其他高速接口。請記住：2 層板上的路由并不適合每個接口。例如，我不知道有人會推薦在 2 層板上布線 DDR4，因為這些快速信號的長度限制和輻射噪聲很小。

臨界長度

首先，我們想知道在典型 2 層 PCB 上路由 USB 信號的臨界長度。對于 Dk = 4.8 的FR4 材料芯，我們將有大約 150 ps/英寸或大約 6 英寸/ns 的傳播延遲。憑借我們針對高速規(guī)格的 500 ps 上升時間，這在上升時間內(nèi)提供了 3 英寸的信號傳播距離。如果我們非常保守并且對臨界長度使用 10% 的限制，那么臨界長度就是 0.3 英寸！

我們這里需要布線的拓撲只是帶有差分對的串行線。所以你有三個要素：

• 驅(qū)動程序組件，或您的帶有 USB 接口的處理器
• 端接電阻器（請參閱下面的部分）
• 用于固定 USB 電纜的連接器

您可能想知道，它是如何在像 Arduino 這樣的平臺上完成的？看一下您可以在亞馬遜上購買的 Arduino Mega 的下圖。USB控制器靠近連接器放置，絕對在1英寸以內(nèi)。

Arduino Mega 示例板。請注意 USB 控制器芯片靠近 B 型連接器。

您會在其他 Arduino 板上找到類似的布局和布線。為了避免輸入阻抗與連接器、電纜和接收器不匹配，我們希望遵循上面顯示的建議，并在我們的 2 層 PCB 上保持布線較短。但是，我們不需要太保守以應(yīng)用 10% 的限制。相反，如果我們采用 25% 的限制，我們將獲得 0.75 英寸的更舒適的布線距離，這在 2 層 PCB 上更易于管理。

請注意，這是針對高速規(guī)格的。在全速規(guī)格下，我們有一個更寬松的 2.4 英寸臨界長度（10% 限制）或 6 英寸臨界長度（25% 限制），上升時間為 4 ns。

終端電阻

接下來，我們需要考慮驅(qū)動器輸出是如何終止的。由于我們在這里專門討論 USB，請注意 USB 2.0 規(guī)范要求連接器附近的 D+ 和 D- 線上的一些終端電阻器以匹配阻抗。這些可能被集成到芯片上的 USB 收發(fā)器中，或者它們可能需要作為外部組件。典型值為 15 歐姆、22 歐姆或 45 歐姆，但也可以使用其他值；確保檢查您的組件的數(shù)據(jù)表以查看需要什么端接。例如，TUSB2077APTR USB 集線器控制器使用 27 歐姆終端電阻。請務(wù)必查看數(shù)據(jù)表以檢查您是否需要這些外部電阻器。

差分歪斜

借助高速標(biāo)準(zhǔn)中 100 ps 的偏移限制，我們現(xiàn)在可以計算差分對兩側(cè)（D+ 和 D- 信號）之間允許的長度不匹配。采用表層布線的大約 6 ns/英寸傳播延遲估計值，并乘以偏斜限制，我們得到 0.6 英寸的走線長度差異。這是非常大的！我們有很大的自由來允許一些走線長度匹配。但是，這里有一點很重要：這包括互連的整個長度（您的板 + 電纜 + 接收板）。因此，為了安全起見，通過將線對布線在一起，盡可能地限制偏移并在板上執(zhí)行長度匹配。這很容易，因為 USB 控制器芯片通常會將 D+ 和 D- 信號放在芯片的同一邊緣。

您的布線方式：耦合差分對或共面差分微帶

正如我在上一篇博客中指出的那樣，您不能使用與高速 USB 2.0 中的特性阻抗相對應(yīng)的走線寬度仍然滿足阻抗規(guī)范。請記住，對于 Dk - 4.8，具有兩層的標(biāo)準(zhǔn)厚度 PCB 上的走線寬度約為 110 密耳。我們怎么可能達到 USB 2.0 高速的差分對阻抗規(guī)格與該走線寬度？

實際上，由于差分對中的走線相互耦合的方式，我們不需要使用該走線寬度。如果您使用帶有厚 2 層板的疊層計算器來計算微帶的差分阻抗，您會發(fā)現(xiàn)所需的實際走線寬度要小得多，并且是間距的函數(shù)。對于我們在 2 層 PCB 上的示例微帶線，Altium Designer 中的層堆棧管理器告訴我們，走線寬度約為 16 mil，間距為 5 mil。

差分微帶阻抗導(dǎo)致 Altium Designer 的層堆棧管理器。

您可以對這些差分微帶線使用更細的走線，但您需要使用更小的間距。在這個設(shè)計中，我們接近蝕刻的跡線到跡線間隙的極限，因此保持跡線之間的 5 mil 間隙是可以的，因為我們正在使用這些跡線寬度達到單端規(guī)范和差分規(guī)范。我們?nèi)绾沃牢覀冋谶_到規(guī)范的單端部分？這是因為：上面給出的走線寬度是針對單條走線的奇模阻抗，而不是特性阻抗！這就是為什么您需要堅持使用這個特定的走線寬度值，而不是單獨使用單個微帶的特征阻抗值。

還有一個我們沒有討論的替代方案：使用共面微帶差分對。通過在表面層的微帶上運行接地灌注，并通過在底層信號下方放置接地灌注，您可以獲得 90 歐姆的差分阻抗，走線寬為 9.5 mil，走線間隙為 5 mil，到地間距為 5 mil .?我們可以從下面的值中看到，使用這些值我們可以很好地達到 USB 2.0 規(guī)范中所需的 90 歐姆阻抗。

共面差分阻抗導(dǎo)致 Altium Designer 的層堆棧管理器。

有了這種安排，我們就不必擔(dān)心 2 層板中的關(guān)鍵長度問題和走線寬度問題。但是，您需要注意，必須在整個路線長度內(nèi)保持此寬度和間距。USB 布線將走線視為恰好承載差分信號的單獨單端走線，因此您可以將它們分開布線。

PCB 布局內(nèi)部

路由拓撲非常簡單：從 USB 芯片路由到終端/上拉/下拉電阻，然后到連接器，所有這些都作為差分對。下圖顯示了帶有上拉和下拉電阻的高級布線拓撲。USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)下還需要一些電容器，如下所示。

用于全速和高速 USB 2.0 路由的路由拓撲。

布線相當(dāng)簡單：遵循系統(tǒng)每個部分之間的標(biāo)準(zhǔn)差分對布線實踐，您不會遇到信號注冊或阻抗匹配問題。保持短路徑與來自差分對線路的直接連接，以便為下拉和上拉電阻連接到 GND/VCC。確保在數(shù)據(jù)表中檢查您的設(shè)備的應(yīng)用電路，因為 D+/D- 線可能在設(shè)備上有額外的外部電容器；你會在我上面提到的 TUSB2077A 設(shè)備上看到這一點。

我們將在即將發(fā)布的博客中展示 PCB 布局中的一個真實示例。現(xiàn)在，自己嘗試一下，看看你是否可以讓設(shè)計走線。

概括

在這篇博客和我們之前的博客文章中，我們研究了在 2 層 PCB 上設(shè)置和布線高速接口（如 USB）時要遵循的一些重要布線規(guī)則。以下是我們的最終路由指南：

• 在沒有阻抗控制的情況下保持走線長度小于 0.75 英寸
• 保持差分對長度失配在 0.6 英寸以內(nèi)
• 如果由于電路板尺寸或長度要求而無法實現(xiàn) #1，請使用差分微帶或共面差分微帶（均具有受控阻抗）來達到 90 歐姆差分阻抗規(guī)格

此處顯示的布線指南并不總能保證 EMC，還有設(shè)計的其他方面需要考慮，這些方面有時在 2 層 PCB 中做得不好。但是，如果您使用的是全速規(guī)范，這些指南肯定會對 EMI 有所幫助。我個人的偏好是將 4 層 PCB 用于串行數(shù)字總線和高速協(xié)議，尤其是在電路板較大或即將量產(chǎn)的情況下。

如果您使用的是 USB 3.0，那么由于邊緣速率快，您對長度匹配有嚴格的要求，您應(yīng)該將接口放置在靠近連接器的位置，就像我們對上面列出的全速規(guī)格所做的那樣。

當(dāng)您需要在 2 層 PCB 或更高級的多層板上布線 USB 等接口時，請使用CircuitMaker中的 PCB 布局和布線工具。所有 CircuitMaker 用戶都可以創(chuàng)建將設(shè)計從構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)所需的原理圖、PCB 布局和制造文檔。用戶還可以訪問Altium 365??平臺上的個人工作區(qū)，在那里他們可以在云中上傳和存儲設(shè)計數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器在安全平臺中輕松查看項目。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【无标题】2 层 PCB 上 USB 2.0 的布线要求的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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