USB2.0的EMI和ESD設計
提供雙向、實(shí)時(shí)數據傳輸的USB接口,以其即插即用、可熱插拔和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),目前已成為計算機和信息電子產(chǎn)品連接外圍設備的優(yōu)選接口。時(shí)下流行的USB2.0具有高達480Mbps的傳輸速率,并與傳輸速率為12Mbps的全速USB1.1和傳輸速率為1.5Mbps的低速USB1.0完全兼容。這使得數字圖像器、掃描儀、視頻會(huì )議攝像機等消費類(lèi)產(chǎn)品可以與計算機進(jìn)行高速、高性能的數據傳輸。另外值得一提的是,USB2.0的加強版USB OTG可以實(shí)現沒(méi)有主機時(shí)設備與設備之間的數據傳輸。例如。數碼相機可以直接與打印機連接并打印照片,PDA可以與其它品牌的PDA進(jìn)行數據傳輸或文件交換。
USB接口的傳輸速率很高,因此如何提高USB信號的傳輸質(zhì)量、減小電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)成為USB設計的關(guān)鍵。本文以USB2.0為例,從電路設計和PCB設計兩個(gè)方面對此進(jìn)行分析。
當USB2.0接口采用高速差動(dòng)信號傳輸方式時(shí),由于接地層與電源層的信號搖擺,放射噪聲會(huì )有所增加。因此,為避免串擾并保證信號的完整性,消除將要混入高速信號中的共模噪聲是電磁兼容設計的必要對策。在圖1所示的電路中,數據電源線(xiàn)和地線(xiàn)上分別串聯(lián)一個(gè)阻抗為120歐姆、額定電流為2A的磁珠,而差分線(xiàn)對上則串聯(lián)一個(gè)共模阻抗為90歐姆的共模扼流器。共??沽髌饔蓛筛鶎Ь€(xiàn)同方向繞在磁芯材料上,當共模電流通過(guò)時(shí),共??沽髌鲿?huì )因磁通量疊加而產(chǎn)生高阻抗;當差模電流通過(guò)時(shí),共??沽髌饕虼磐炕ハ嗟窒a(chǎn)生較小阻抗。該器件在100MHz的差模阻抗僅為4.6歐姆。從圖2所示的衰減特性也能看出共模扼流器對差分信號不會(huì )造成影響,主要是針對共模電流進(jìn)行選擇性的衰減。
圖1:USB2.0的噪聲抑制電路圖。
圖2:SDCW2012-2-900的衰減頻譜。
由于USB接口具有可熱插拔性,USB接口很容易因不可避免的人為因素而導致靜電損壞器件,比如死機、燒板等。因此使用USB接口的用戶(hù)迫切要求加入防ESD的保護器件。在圖3電路中,數據電源線(xiàn)、地線(xiàn)上各有一個(gè)工作電壓為5.5V、電容為100pF的壓敏電阻連到屏蔽地上。差分線(xiàn)對因數據傳送速度高達480Mbps,則需要連接電容小于4pF的器件,因為較大的電容可導致數據信號波形惡化,甚至出現位錯誤。因此在差分線(xiàn)對上接入工作電壓為18V、電容*大值為4pF的壓敏電阻器。圖4所示的電壓波形也驗證了電容為4pF的壓敏電阻器對波形的影響不大。
圖3:USB2.0的ESD防護電路圖。
圖4:不同電容值的壓敏電阻對波形的影響。
對于USB2.0的PCB布線(xiàn),需要考慮以下原則:1.差分線(xiàn)對要保持線(xiàn)長(cháng)匹配,否則會(huì )導致時(shí)序偏移、降低信號質(zhì)量以及增加EMI;2.差分線(xiàn)對之間的間距要保持小于10mm,并增大它們與其它信號走線(xiàn)的間距;3.差分走線(xiàn)要求在同一板層上,因為不同層之間的阻抗、過(guò)孔等差別會(huì )降低差模傳輸的效果而引入共模噪聲;4.差分信號線(xiàn)之間的耦合會(huì )影響信號線(xiàn)的外在阻抗,必須采用終端電阻實(shí)現對差分傳輸線(xiàn)的*佳匹配;5.盡量減少過(guò)孔等會(huì )引起線(xiàn)路不連續的因素;6.避免導致阻值不連續性的90度走線(xiàn),可用圓弧或45度折線(xiàn)來(lái)代替;7.壓敏電阻器的接地端要接入屏蔽地層,并放置在端口位置。