原创 USB接口的EMI和ESD设计

 2011-7-17 18:44  4745 5 5 分类: 通信

USB接口的传输速率很高，因此如何提高USB信号的传输质量、减小电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)成为USB设计的关键。由于USB接口具有可热插拔性，USB接口很容易因不可避免的人为因素而导致静电损坏器件，比如死机、烧板等。因此使用USB接口的用户迫切要求加入防ESD的保护器件。选用LM3526器件对USB进行ESD防护

2.对USB外壳地和信号地的处理：有2种方案：

第一种：USB外壳地和信号地之间串接1M电阻，并且还接一个0.01uf的电容到信号地，这样处理的原理和目的1.将影响外壳的噪音滤除，不影响信号地；2.迫使板子上电流是流入内部的信号地，而不是流到外壳。所以这样的处理是综合了EMI的滤波和ESD的隔离这两方面的因素。

第二种：采用原有的的方案，USB外壳地和信号地直接接上磁珠

对于这2种方案可采用兼容设计来验证

3.对于USB2.0的PCB布线，需要考虑以下原则：

1. 差分线对要保持线长匹配，否则会导致时序偏移、降低信号质量以及增加EMI；

2.差分线对之间的间距要保持小于10mm，并增大它们与其它信号走线的间距；

3.差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声；

4.差分信号线之间的耦合会影响信号线的外在阻抗，必须采用终端电阻实现对差分传输线的最佳匹配；

5.尽量减少过孔等会引起线路不连续的因素；

6.避免导致阻值不连续性的90度走线，可用圆弧或45度折线来代替；

参考资料：

1. http://www.ed-china.com/ART_8800009845_400004_500010_TS.HTM

2. uPD720102 Datasheet

当USB2.0接口采用高速差动信号传输方式时，由于接地层与电源层的信号摇摆，放射噪声会有所增加。因此，为避免串扰并保证信号的完整性，消除将要混入高速信号中的共模噪声是电磁兼容设计的必要对策。在图1所示的电路中，数据电源线和地线上分别串联一个阻抗为120欧姆、额定电流为2A的磁珠，而差分线对上则串联一个共模阻抗为90欧姆的共模扼流器。共模抗流器由两根导线同方向绕在磁芯材料上，当共模电流通过时，共模抗流器会因磁通量叠加而产生高阻抗；当差模电流通过时，共模抗流器因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。以深圳顺络电子有限公司生产的共模抗流器SDCW2012-2-900为例，该器件在100MHz的差模阻抗仅为4.6欧姆。从图2所示的衰减特性也能看出共模扼流器对差分信号不会造成影响，主要是针对共模电流进行选择性的衰减

由于USB接口具有可热插拔性，USB接口很容易因不可避免的人为因素而导致静电损坏器件，比如死机、烧板等。因此使用USB接口的用户迫切要求加入防ESD的保护器件。在图3电路中，数据电源线、地线上各有一个工作电压为5.5V、电容为100pF的压敏电阻连到屏蔽地上。差分线对因数据传送速度高达480Mbps，则需要连接电容小于4pF的器件，因为较大的电容可导致数据信号波形恶化，甚至出现位错误。因此在差分线对上接入工作电压为18V、电容最大值为4pF的压敏电阻器。图4所示的电压波形也验证了电容为4pF的压敏电阻器(如深圳顺络电子有限公司生产的SDV1005H180C4R0GPT)对波形的影响不大

USB2.0的走线规则

　　我们在走USB2.0的走线时，已经有了N种规则：

1.线宽12MIL，线距6MIL的差分线。

2.线宽10MIL，线距10MIL的差分线。

3.线宽16MIL，线距8MIL的差分线。