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第五期
USB2.0的EMI和ESD设计

    USB接口提供双向、实时数据传输，以其即插即用、可热插拔和价格低廉等优点，目前已成为计算机和信息电子产品连接外围设备的首选接口。时下流行的USB2.0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、减小电磁干扰和静电放电成为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。

          图1 usb2.0的噪声抑制电路图

    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。共模扼流器的衰减特性如图2所示，我们可以看出，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。
     
                   图2 共模扼流器的衰减特性 

    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的压敏电阻器对波形的影响不大。
     
                     图3  USB2.0的ESD防护                  图4 不同电容值的压敏电阻对波形的影响

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.压敏电阻器的接地端要接入屏蔽地层，并放置在端口位置。  

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