5. USB接口硬件设计
5.1 USB接口拓扑
USB接口通常是以Hub形式使用，Hub中存在上行接口和下行接口，其拓扑设计如图4.1.1所示。
图4.1.1 USB Hub拓扑
5.2 USB接口处阻抗设计要求
USB接口设计时应按照官方手册要求设计，其阻抗要求见图4.2.1。D+/D-上用于USB链接断开和通信速度检测的上拉电阻应采用1.5Kohm±5%，主设备接口处的下拉电阻应在15Kohm±5%，传输线的差分特征阻抗控制在90ohm±15%。
图4.1.1 USB接口阻抗设计要求
5.3 USB2.0电源设计
USB2.0中VBus的负载电流规定在500mA以内。USB2.0协议中，各种设备的负载可以简化描述为单位负载，一台单位负载定义为100mA。单位负载的数量是指一台设备的最大负载值，而不是一段时间的平均值。一台设备在低能耗模式时可能只有1个单位负载(100mA)，也可能在高耗能模式时有5个单位负载(500mA)。所有的USB2.0设备默认都是低耗能模式，要进入高耗能模式需要软件进行控制，故在计入高耗能模式时需要通过软件确认电源能否提供足够的电流。
1.3.1 USB供电方案
USB提供多种电源方案，供电方式包括根集线器供电、集线器通过VBus供电、集线器自供电。供电类型有低功率、大功率以及设备自供电。
· 根集线器供电：
集线器直接与USB主机控制器相连。电源直接与USB系统的电源相连，USB系统的电源由外部提供(单独的电源模块)。系统电源必须为每个接口提供至少5个单位负载电流，这些接口称作大功率接口。电池供电的系统可能只会提供1至5个单位负载的电流。只能提供1个单位负载的接口被称作低功耗接口。
· 集线器通过VBus供电：
集线器内部和所有下行口的电源都来自集线器上行口的VBus。这种供电方式在上电后默认只提供1个单位负载电流，在经过配置后能提供5个单位负载的电流。配置电源被分配给集线器、内部应用和外部接口。该方式不管集线器每个接口的工作模式，只为每个端口提供1个单位负载电流。集线器不管在活动状态或是挂起状态都必须能为每个端口提供1个单位负载的电流。
· 集线器自供电：
电源来自集线器内部，下行口的电源都是来自集线器而不是上行接口VBus。但是集线器需要从上行接口VBus获得至少1个单位负载的电流，以确保在集线器内部电源掉电情况下还能识别该接口。集线器内部电源必须至少要为每个接口提供5个单位负载的电流。电池供电的集线器可以为每个端口提供一台或五个单位负荷。
· 低功率VBus供电：
所有的电源都来自VBus，任何时候每个接口不超过1个单位负载。
· 大功率VBus供电：
所有的设备都通过VBus供电，上电时每个接口提过不超过1个单位负载的电流，在经过配置后能够提供5个单位负载的电流。
· 自供电：
电源来自外部。为了在掉电情况下保证USB接口的功能，需要VBus提供1个单位负载电流。
1.3.2 压降要求
1. 大功率集线器接口电压：4.75V — 5.25V;
2. 低功率集线器接口电压：4.4V — 5.25V;
3. VBus供电的集线器总共只能向下游接口提供350mA的电流；
4. 在两个级联的USB插座之间VBus压降不能超过125mV;
5. 集线器上行端口和下行端口GND之间最大压差不超过125mV；
6. 所有集线器和模块必须能够在其上行接口电压低至4.40V时提供其配置信息，只有低功耗模块需要在这个最小电压下工作；
7. 设给功耗大于一台单位负载时其上行接口必须提供至少4.75V的输入电压。
1.3.3 过流保护
当集线器处于过流状态后必须将所有接口置为掉电状态，并报告USB系统发生了过流情况。在集线器中需要预先设置过流警告阈值，该值不能超过5.0A,同时还要保证在上电时能够承受一定的电流冲击。
5.4 挂起和恢复状态时的电源控制
所有的USB设备上电后都是默认低功耗模式，在该模式下挂起电流不超过500uA。如果设备被配置成大功率模式，并且允许远程唤醒，挂起电流不超过2.5mA。在计算挂起电流时需要将接口上上下拉电阻考虑进去。
配置集线器时的最大电流为2.5mA，其中500uA用于外部端口和内部功能。如果集线器没有被配置，那么它必须和低功耗设配一样将挂起电流限制在500uA。
挂起状态时，有时设备会吸收一台短暂的大电流，该瞬间电流不能超过接口带你留限制的100mA(或500mA),持续时间不超过1s，电流上升速率不能超过100mA/us。
集线器的下行口还必须要有吸收500mA电涌的能力，并且保证压降在正常范围内。集线器处于挂起状态时必须能够为每个接口提供至少1个单位负载的能力，用于远程控制设备。当设备唤醒时必须要控制其在VBus上产生的浪涌电流，在Vbus上产生的压降要限制在330mV以内。设备必须要有足够的旁路电容以吸收其唤醒时在集线器接口上产生的最大浪涌电流。
5.5 热插拔设计
5.5.1 浪涌电流抑制
在USB的VBus与GND之间必须要有足够的电容以防止浪涌电流。如果电容不够会导致VBus压降过大，导致USB通信失败。浪涌电流可能由设备的插拔或者工作模式的改变产生。
VBus的最大压降是330mV，信号的最大压降是其摆幅的10%，为了达到条件，必须遵循以下原则：
1. 集线器下行接口最大的负载为10uF和44ohm的并联网络；
2. 如果设备需要很多旁路电容，该设备必须要符合VBus的浪涌限制，并能符合上述负载特性；
3. 集线器每个下行接口的VBus线路至少要有120uF的低等效电阻的电容，使用标准的旁路方法减少旁路电容和链接器之间的电感和电阻以减少接口压降，旁路电容应该具有低损耗系数以保证能够在高频时做到很好的解耦。
上行端口也需要遵守上面的原则。并且VBus供电的集线器在为下行端口供电时还必须提供一台软起动的电流限制。
设备从高功耗模式切换到低功耗模式时在上游集线器造成的的压降必须控制在330mV以内。设备可以通过控制其负载电容变化在10uF以内来确保该要求。
DP和DM引脚通过减短链接器Pin脚长度以保证电源先被插入来减少浪涌电流。这样做保证了下游设备接入时电轨已经稳定，提供了一台良好的参考。并且，在链接时DP和DM应处于高阻态。
5.5.2 动态拔出设备
当设备拔出时，由于电感的存在，会引起一台大的反激电压。该反激电压应该由正确的旁路电容所去除。旁路电容需要用低ESL的小电容，并且在VBus之间的电容应不小于1uF。
5.5.3 ESD防护
缆线链接器插槽直接短接至小型外壳接地层（GND 带），该外壳接地层直接位于链接器插槽的底部。这样，EMI（及 ESD）信号在进入USB线缆前直接短路至外壳接地。这个蚀刻层应尽可能的大，但是所有链接至链接器引脚1至6的电感器的下方必须有电路板信号GND 层。在必要时，外壳接地带的蚀刻可延伸接出，以允许信号地扩展至链接引脚的下方。请注意，考虑到滤波可能置于链接器引脚与层之间，引脚 1及4（VBUS电源及GND）的蚀刻覆铜应尽可能的宽，并通过导孔尽快地链接至各自的层。
在USB链接器插槽附近将线缆套管与铁氧体磁珠串联，以防止电磁干扰信号进入至线缆套管。100MHz时，线缆套管与接地之间的铁氧体磁珠的电阻值介于10Ω至50Ω（信号频率时）之间；它应在接近1GHz时呈现电阻特性。为防止EMI进入至线缆总线供电导线（很大的天线），应同时采用铁氧体磁珠与线缆总线电源，在 USB 链接器引脚 1附件的VBUS， 串联。100MHz时，链接器插口引脚1与总线电源之间的铁氧体磁珠的电阻值介于47Ω至大约1000Ω之间。它应该在接近1GHz时持续呈现出电阻导通特性。 |
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