USB接口的EMI和ESD设计方案

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  时下流行的USB2.0接口具有高达480Mbps的传输速率，并与传输速率为12Mbps的全速USB1.1和传输速率为1.5Mbps的低速USB1.0完全兼容。这使得数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机等消费类产品可以与计算机进行高速、高性能的数据传输。另外值得一提的是，USB2.0的加强版USB OTG可以实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。例如。数码相机可以直接与打印机连接并打印照片，PDA可以与其它品牌的PDA进行数据传输或文件交换。


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。本文以USB2.0为例，从电路设计和PCB设计两个方面对此进行分析。



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。

                               
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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。在下图电路中，数据电源线、地线上各有一个工作电压为5.5V、电容为100pF的TVS/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<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TVS/压敏电阻器。

                               
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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；7.TVS/压敏电阻器的接地端要接入屏蔽地层，并放置在端口位置。

l.c.wing

这文章在电子工程专辑里看过.

chenchen

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dgwang1

关于共模扼流圈：
你所说得共模扼流器的共模阻抗为90欧姆，差模阻抗很小，我有点疑问：usb的差分阻抗为100欧姆，差分阻抗小，是不是会造成阻抗失配的现象严重？共模阻抗为90欧姆是不是太小了？

libing3062

能讲到什么程度

tangbo514

why haven't picture in the document,can you update it?

andyyeung

shou yi le

langtuo

USB接口差分线保护可以选择瞬变电压抑制器来进行静电保护。

翅膀

可惜看不到转过来的图。

langtuo

老吴的方案，选用3个BOURNS的CDSOD323-T05C分立器件成本应该不菲吧。不知道有多少客户能接受这么高的成本。 [s:28]